JP6238965B2 - Holographic wide-angle display - Google Patents
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Description
本発明はホログラフィック広角ディスプレイに関する。 The present invention relates to a holographic wide-angle display.
(関連出願)
本願は、2012年4月25日に出願された米国仮特許出願第61/687,436号及び2012年6月15日に出願された米国仮特許出願第61/689,907号の利益を主張する。これらはそれぞれ、全体が参照としてここに組み入れられる。
(Related application)
This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 61 / 687,436, filed on April 25, 2012, and US Provisional Patent Application No. 61 / 689,907, filed on June 15, 2012. To do. Each of these is incorporated herein by reference in its entirety.
(カラー図面)
本特許又は出願のファイルは、カラーが施された少なくとも一つの図面を包含する。カラー図面を伴う本特許又は特許出願の公報の写しは、要求及び必要な手数料に応じて当該庁より与えられる。
(Color drawing)
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記号及び英数字の配列から高解像度のピクセル化画像にまで及ぶ画像コンテンツを表示することができるコンパクトなシースルーデータディスプレイが必要とされている。ディスプレイは高透明度の必要があり、かつ、表示される画像コンテンツは、明るい背景上にスーパーインポーズされても明確に視認できる必要がある。ディスプレイは、最適なデータ視認性及び効果のための高画質な色彩範囲を伴うフルカラーを与える必要がある。望ましい特徴としては、ディスプレイが、スキーゴーグル又はさらに望ましくはサングラスに類似するフォームファクタを有することが可能な、装着容易、自然かつさりげないものである必要がある。アイレリーフ及び瞳は、過酷な軍事及びスポーツ活動に対してであっても、頭部が動いている間の画像欠如を回避できる程度に大きくする必要がある。画像生成器は、コンパクト、ソリッドステートかつ低消費電力の必要がある。 There is a need for a compact see-through data display capable of displaying image content ranging from symbol and alphanumeric arrays to high resolution pixelated images. The display needs to be highly transparent, and the displayed image content must be clearly visible even when superimposed on a light background. The display needs to provide full color with a high quality color range for optimal data visibility and effectiveness. A desirable feature is that the display should be easy to wear, natural and casual, which can have a form factor similar to ski goggles or more preferably sunglasses. Eye relief and pupils need to be large enough to avoid image loss while the head is moving, even for harsh military and sports activities. The image generator needs to be compact, solid state and low power consumption.
上述の目標は現在の技術によっては達成されていない。現在の装着可能ディスプレイは、シースルー、適度な瞳、アイレリーフ及び視野角並びに高輝度を送達するが、かさばるフォームファクタという犠牲も同時に払っている。多くの場合、重量は、眼前において装着可能ディスプレイにとって望ましくない箇所に分布する。シースルーを与えることへの一つの一般的なアプローチは、軸外照明を受ける反射性又は回折性のバイザーに頼っている。小さなフラットパネルにおいて高解像度画像生成器を与えるマイクロディスプレイが、装着可能ディスプレイを小型化することに必ずしも役立つわけではない場合が多い。極めて高い倍率を一般に必要とするため、大きな直径の光学機器にならざるを得ないからである。眼鏡のようなフォームファクタを提供するいくつかの超低フォームファクタ設計が現在のところ利用可能であるが、通常は、視野角(FOV)、アイレリーフ及び射出瞳との強引なトレードオフが要求される。 The above goals have not been achieved by current technology. Current wearable displays deliver see-through, moderate pupils, eye relief and viewing angles and high brightness, but at the same time at the cost of bulky form factor. In many cases, weight is distributed in front of the eye where it is undesirable for a wearable display. One common approach to providing see-through relies on reflective or diffractive visors that receive off-axis illumination. A microdisplay that provides a high resolution image generator in a small flat panel often does not always help to reduce the wearable display. This is because an extremely high magnification is generally required, and the optical apparatus must have a large diameter. Several ultra-low form factor designs are currently available that provide spectacle-like form factors, but usually require aggressive tradeoffs with viewing angle (FOV), eye relief and exit pupil. The
HMD(ヘッドマウントディスプレイ)の研究開発のための長期的な目標は、ニアツーアイ(near-to-eye)かつカラーのHMDの以下の特徴を作り出すことにある。すなわち、
a)視野角全体にわたり標準NVG(ナイトビジョンゴーグル)の分解能を超え、かつ、無限遠に焦点が合わされた高解像度デジタル画像、
b)単眼視野角(FOV)80°×40°のHMD、又は双眼FOV120°×40°の、当該FOVの中心で40°の立体視野角の重なりを伴うHMD、
c)遮るもののない外界のパノラマビュー、十分なアイボックス及び適度なアイレリーフを伴う高シースルー(90%以上)ディスプレイ、及び
d)ステップイン式バイザー並びに標準の砂、風及びほこりゴーグルの双方に良好に統合される軽量かつ扁平な設計である。
The long-term goal for HMD (head mounted display) research and development is to create the following features of near-to-eye and color HMDs. That is,
a) a high resolution digital image that exceeds the resolution of standard NVG (Night Vision Goggles) over the entire viewing angle and is focused at infinity;
b) HMD with monocular viewing angle (FOV) of 80 ° × 40 °, or HMD with binocular FOV of 120 ° × 40 °, with a superposition of 40 ° stereoscopic viewing angle at the center of the FOV,
c) unobstructed panoramic view of the outside world, high see-through (over 90%) display with sufficient eyebox and moderate eye relief, and d) good for both step-in visor and standard sand, wind and dust goggles Lightweight and flat design integrated into
画像は所定の視野角にわたって表示されるが、パノラマのシースルー性能は、これよりもずっと大きく、かつ、ホストとなるバイザー又はゴーグルよりも一般に良好である。これが、視野角40°の外では周囲環境が遮られる既存のNVGよりも改善されている点である。 Although the image is displayed over a given viewing angle, the panoramic see-through performance is much larger and generally better than the host visor or goggles. This is an improvement over existing NVG where the surrounding environment is blocked outside the viewing angle of 40 °.
一つの望ましいヘッド装着ディスプレイは、(1)高透明度を伴うパノラマのシースルーを提供することにより状況判断を維持し、(2)高解像度かつ広視野画像を与えるものである。かかるシステムはまた、控えめ、すなわちコンパクト、軽量かつ快適である必要もある。快適性は、十分な射出瞳及びアイモーションボックス/射出瞳(>15mm)、適度なアイレリーフ(≧25mm)、人間工学的質量中心、無限遠焦点、並びに保護ヘッドギアとの整合性を有することに由来する。現在及び将来の伝統的屈折型光学機器では、この一連の要求を満たすことができない。他の重要な識別子は、フルカラー性能、視野角、ピクセル解像度、シースルー、輝度、動的グレースケール及び低消費電力を含む。何年もの高度の競合的な開発の後でさえ、屈折型光学機器に基づくHWD(ヘッド装着ディスプレイ)は視野角を制限し、かつ、コンパクト、軽量又は快適とはいえない。 One desirable head-mounted display is one that maintains (1) panoramic see-through with high transparency and (2) provides high resolution and wide-field images. Such a system also needs to be modest, i.e. compact, lightweight and comfortable. Comfort is to have sufficient exit pupil and eye motion box / exit pupil (> 15 mm), moderate eye relief (≧ 25 mm), ergonomic center of mass, infinity focus, and integrity with protective headgear. Derived from. Current and future traditional refractive optics cannot meet this set of requirements. Other important identifiers include full color performance, viewing angle, pixel resolution, see-through, brightness, dynamic gray scale and low power consumption. Even after years of highly competitive development, HWD (head mounted display) based on refractive optics limits the viewing angle and is not compact, lightweight or comfortable.
導波路技術の基板導波ディスプレイに基づくヘッドマウントディスプレイは、これらの基本的要求の多くを満たす性能を実証している。特に関連するのは、Rockwell Collinsの子会社であるKaiser Optical Systems社(KOSI)に1999年に与えられた特許(特許文献1)である。これは、どのようにすれば入力に回折要素を使用して光を導波路に結合させ、かつ、出力に第2の回折要素を使用して光を同導波路から結合解除することができるのかを教示する。特許文献1によれば、導波路へ入射する光は、当該導波路に沿って伝播するときの画像コンテンツを維持するべくコリメートされる必要がある。すなわち、光は、導波路に入る前にコリメートされる必要がある。これは、多くの適切な技術によって遂行することができる。この設計アプローチによれば、導波路から出る光は当然コリメートされており、これが、当該画像を無限遠に焦点が合わされて見えるようにするために必要な条件である。光は、内角の限られた範囲にわたってのみ導波路に沿って伝播する。当該表面と平行に伝播する光は(定義によれば)、跳ね返ることなく導波路に沿って進行する。当該表面と平行に伝播しない光は、当該表面の法線に対する入射角が所定の臨界角よりも大きい場合、当該表面間で前後に跳ね返りながら導波路に沿って進行する。BK−7ガラスに対しては、この臨界角は約42°である。これは、反射性コーティングを使用することによって(ただし、これは基板のシースルー性能を減じる可能性がある)、又は高屈折率材料を使用することによって、わずかに低下させることができる。それにもかかわらず、光が導波路に沿って伝播する内角の範囲が著しく変わることはない。よって、ガラスに対しては、内角の最大範囲は50°以下である。これは、導波路を出る角度の範囲(すなわち空気中の角度)が40°未満であると解釈される。他の設計ファクタも考慮した場合、一般にはこれよりも小さくなる。
Head mounted displays based on waveguide technology substrate waveguide displays have demonstrated performance to meet many of these basic requirements. Of particular relevance is the patent (Patent Document 1) granted in 1999 to Kaiser Optical Systems (KOSI), a subsidiary of Rockwell Collins. This is how you can use a diffractive element at the input to couple light into the waveguide, and a second diffractive element at the output to decouple light from the waveguide. Teach. According to
現在のところ、SGO(Substrate Guided Optics(基板導波光学機器))技術は広く受け入れられているわけではない。これは、導波路光学機器が、射出瞳を広げるためには使用することができるが、視野角を広げ又はデジタル解像度を改善するためには使用することができないことに起因する。すなわち、導波路内の内部全反射(TIR)を受け得る内角の範囲を拘束する基本的な物理学が、導波路光学機器について達成可能な視野角を、最大でも40°までに制限し、かつ、達成可能なデジタル解像度を、関連する画像の解像度までに制限するのである。 At present, SGO (Substrate Guided Optics) technology is not widely accepted. This is due to the fact that waveguide optics can be used to widen the exit pupil but cannot be used to widen the viewing angle or improve digital resolution. That is, the basic physics constraining the range of interior angles that can undergo total internal reflection (TIR) in the waveguide limits the view angle achievable for waveguide optics to a maximum of 40 °, and Limiting the achievable digital resolution to the resolution of the associated image.
上述に鑑み、本発明者は、基板導波光学機器(SGO)及び切り換え可能ブラッググレーティング(SBG)を組み合わせるディスプレイ及び詳しくは透明ディスプレイの利点を認識しかつその真価を評価している。 In view of the above, the inventor has recognized and evaluated the true value of displays that combine substrate waveguide optics (SGO) and switchable Bragg gratings (SBG) and in particular transparent displays.
したがって、いくつかの実施例の一側面において与えられるのは、画像を表示する装置であって、少なくとも第1及び第2の画像変調光を与えるべく構成された入力画像ノードと、第1及び第2の画像変調光の少なくとも一つを少なくとも第1の方向に伝播するべく構成されたホログラフィック導波路デバイスとを含む装置である。ホログラフィック導波路デバイスは、少なくとも一つの層に配置された少なくとも第1及び第2の散在多重グレーティング要素を含む。第1及び第2のグレーティング要素はそれぞれ、第1及び第2の処方を有する。第1及び第2の画像変調光はそれぞれ、第1視野角(FOV)及び第2FOVの画像情報によって変調される。第1の多重グレーティング要素は、当該少なくとも一つの層から出た第1の画像変調光を偏向させ、第1FOVタイルを形成する第1の多重出力光線にするべく構成される。第2の多重グレーティング要素は、当該層から出た第2の画像変調光を偏向させ、第2FOVタイルを形成する第2の多重出力光線にするべく構成される。 Accordingly, in one aspect of some embodiments, provided is an apparatus for displaying an image, an input image node configured to provide at least first and second image modulated light, and first and first And a holographic waveguide device configured to propagate at least one of the two image modulated lights in at least a first direction. The holographic waveguide device includes at least first and second scattered multi-grating elements disposed in at least one layer. The first and second grating elements have first and second formulations, respectively. The first and second image modulated lights are modulated by image information of the first viewing angle (FOV) and the second FOV, respectively. The first multiple grating element is configured to deflect the first image modulated light emitted from the at least one layer into a first multiple output beam that forms a first FOV tile. The second multiple grating element is configured to deflect the second image modulated light exiting the layer into a second multiple output beam that forms a second FOV tile.
いくつかの実施例のもう一つの側面において与えられるのは、画像を表示する方法であって、(i)一の入力画像ノードと、M及びNを整数として(M×N)散在多重グレーティング要素を含む一のホログラフィック導波路デバイスとを含む一の装置を与えることと、(ii)整数1≦I≦N及び1≦J≦Mに対し視野角(FOV)タイル(I,J)に対応する画像変調光(I,J)入力画像ノードを生成することと、(iii)処方整合FOVタイル(I,J)の複数のグレーティング要素をこれらの回折状態に切り換えることと、(iv)処方整合FOVタイル(I,J)の複数のグレーティング要素を、画像変調光(I,J)によって照明することと、(v)画像変調光I,Jを回折してFOVタイルI,Jにすることとを含む方法である。
In another aspect of some embodiments, provided is a method for displaying an image, comprising: (i) one input image node, and M and N as integers (M × N) scattered multiple grating elements Providing one apparatus including one holographic waveguide device including: (ii) corresponding to viewing angle (FOV) tiles (I, J) for
同じ指示番号が同じ部材を示す添付の図面とともに以下の詳細な説明を考慮することによって、本発明のより完全な理解が得られる。明確性を目的として、本発明に関連する技術分野において知られている技術的事項に関連する詳細は、詳細には記載しない。 A more complete understanding of the present invention can be obtained by considering the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings in which like reference numerals indicate like parts, and in which: For the purpose of clarity, details related to technical matters known in the technical field related to the present invention are not described in detail.
なお、上述の概念と以下に詳細に記載される追加的な概念(かかる概念は相互に矛盾しないわけではない)との組み合わせはすべて、ここに開示される発明主題の一部とみなされる。特に、本開示の最後に現れる請求の主題の組み合わせすべては、ここに開示される発明主題の一部とみなされる。なお、ここで明示的に使用される用語であって、参照によって組み入れられるいずれの開示においても現れる用語には、ここに開示される特定の概念と最も矛盾しない意味が与えられる。 It is to be noted that all combinations of the above concepts with additional concepts described in detail below (which concepts are not inconsistent with one another) are considered as part of the inventive subject matter disclosed herein. In particular, all combinations of claimed subject matter appearing at the end of this disclosure are considered to be part of the inventive subject matter disclosed herein. It should be noted that terms that are explicitly used herein and appear in any disclosure incorporated by reference are given the meaning most consistent with the specific concepts disclosed herein.
当業者であれば、図面が主に例示目的であって、ここに記載される発明主題の範囲を制限する目的でないことがわかる。図面は、必ずしも縮尺どおりではない。いくつかの例において、ここに開示される発明主題の様々な側面が、異なる特徴の理解を容易にするべく当該図面において誇張又は拡大されて示され得る。図面において、同じ参照記号は一般に、同じ特徴(例えば、機能的に類似及び/又は構造的に類似の要素)を参照する。 Those skilled in the art will appreciate that the drawings are primarily for illustrative purposes and are not intended to limit the scope of the inventive subject matter described herein. The drawings are not necessarily to scale. In some instances, various aspects of the inventive subject matter disclosed herein may be exaggerated or enlarged in the drawings to facilitate understanding of different features. In the drawings, like reference characters generally refer to the same features (eg, functionally similar and / or structurally similar elements).
本発明のディスプレイに関連する様々な概念及び実施例の詳細な説明を以下に述べる。なお、上述で導入された及び以下で詳細に述べられる様々な概念は、任意の多数の方法で実装することができるが、述べられた概念は任意の特定の実装態様に限られない。主に例示目的として、特定の実装及び適用が与えられる。 A detailed description of various concepts and embodiments associated with the display of the present invention is provided below. It should be noted that the various concepts introduced above and described in detail below can be implemented in any number of ways, but the described concepts are not limited to any particular implementation. Specific implementations and applications are given, primarily for illustrative purposes.
様々な実施例Various examples
一実施例において与えられるのは、画像を表示する装置であって、少なくとも第1及び第2の画像変調光を与えるべく構成された入力画像ノードと、第1及び第2の画像変調光の少なくとも一つを少なくとも第1の方向に伝播するべく構成されたホログラフィック導波路デバイスとを含む装置である。ホログラフィック導波路デバイスは、少なくとも一つの層に配置された少なくとも第1及び第2の散在多重グレーティング要素を含み、第1及び第2のグレーティング要素はそれぞれ第1及び第2の処方を有する。第1及び第2の画像変調光はそれぞれ、第1の視野角(FOV)及び第2のFOV画像情報によって変調される。第1の多重グレーティング要素は、当該少なくとも一つの層からの第1の画像変調光を第1の多重出力光線に偏向して第1のFOVタイルを形成するべく構成され、第2の多重グレーティング要素は、当該層からの第2の画像変調光を第2の多重出力光線に偏向して第2のFOVタイルを形成するべく構成される。 In one embodiment, provided is an apparatus for displaying an image, wherein an input image node configured to provide at least first and second image modulated light, and at least one of first and second image modulated light. And a holographic waveguide device configured to propagate at least in a first direction. The holographic waveguide device includes at least first and second interspersed multiple grating elements disposed in at least one layer, the first and second grating elements having first and second formulations, respectively. The first and second image modulated lights are modulated by the first viewing angle (FOV) and the second FOV image information, respectively. The first multiple grating element is configured to deflect the first image modulated light from the at least one layer to a first multiple output beam to form a first FOV tile, the second multiple grating element Is configured to deflect second image modulated light from the layer to a second multiple output beam to form a second FOV tile.
もう一つの実施例において与えられるのは、画像を表示する装置であって、少なくとも第1及び第2の画像変調光を与えるべく構成された入力画像ノードと、第1及び第2の画像変調光の少なくとも一つを少なくとも第1の方向に伝播するべく構成されたホログラフィック導波路デバイスとを含む装置である。ホログラフィック導波路デバイスは、少なくとも一つの層に配置された少なくとも第1及び第2の散在多重グレーティング要素である。第1及び第2のグレーティング要素はそれぞれ第1及び第2の処方を有する。第1及び第2の画像変調光はそれぞれ、第1の視野角(FOV)及び第2のFOV画像情報によって変調される。第1の多重グレーティング要素は、当該少なくとも一つの層からの第1の画像変調光を第1の多重出力光線に偏向して第1のFOVタイルを形成するべく構成され、第2の多重グレーティング要素は、当該層からの第2の画像変調光を第2の多重出力光線に偏向して第2のFOVタイルを形成するべく構成される。第1及び第2の多重グレーティング要素は、受動モード又は切り換えモードにあるSBGを含む。 In another embodiment, an apparatus for displaying an image includes an input image node configured to provide at least first and second image modulated light, and first and second image modulated light. And a holographic waveguide device configured to propagate at least one of at least in a first direction. The holographic waveguide device is at least first and second scattered multi-grating elements disposed in at least one layer. The first and second grating elements have first and second prescriptions, respectively. The first and second image modulated lights are modulated by the first viewing angle (FOV) and the second FOV image information, respectively. The first multiple grating element is configured to deflect the first image modulated light from the at least one layer to a first multiple output beam to form a first FOV tile, the second multiple grating element Is configured to deflect second image modulated light from the layer to a second multiple output beam to form a second FOV tile. The first and second multiple grating elements include SBGs that are in passive mode or switched mode.
もう一つの実施例において与えられるのは、画像を表示する装置であって、少なくとも第1及び第2の画像変調光を与えるべく構成された入力画像ノードと、ビーム拡張器と、第1及び第2の画像変調光の少なくとも一つを少なくとも第1の方向に伝播するべく構成されたホログラフィック導波路デバイスとを含む装置である。ホログラフィック導波路デバイスは、少なくとも一つの層に配置された少なくとも第1及び第2の散在多重グレーティング要素を含む。第1及び第2のグレーティング要素はそれぞれ、第1及び第2の処方を有する。第1及び第2の画像変調光はそれぞれ、第1視野角(FOV)及び第2FOVの画像情報によって変調される。第1の多重グレーティング要素は、当該少なくとも一つの層からの第1の画像変調光を第1の多重出力光線に偏向して第1のFOVタイルを形成するべく構成され、第2の多重グレーティング要素は、当該層からの第2の画像変調光を第2の多重出力光線に偏向して第2のFOVタイルを形成するべく構成される。 In another embodiment, an apparatus for displaying an image is provided, the input image node configured to provide at least first and second image modulated light, a beam expander, and first and first images. And a holographic waveguide device configured to propagate at least one of the two image modulated lights in at least a first direction. The holographic waveguide device includes at least first and second scattered multi-grating elements disposed in at least one layer. The first and second grating elements have first and second formulations, respectively. The first and second image modulated lights are modulated by image information of the first viewing angle (FOV) and the second FOV, respectively. The first multiple grating element is configured to deflect the first image modulated light from the at least one layer to a first multiple output beam to form a first FOV tile, the second multiple grating element Is configured to deflect second image modulated light from the layer to a second multiple output beam to form a second FOV tile.
もう一つの実施例において与えられるのは、画像を表示する装置であって、少なくとも第1及び第2の画像変調光を与えるべく構成された入力画像ノードと、第1及び第2の画像変調光の当該少なくとも一つを少なくとも第1の方向に伝播するべく構成されたホログラフィック導波路デバイスとを含む装置である。ホログラフィック導波路デバイスは、少なくとも一つの層に配置された少なくとも第1及び第2の散在多重グレーティング要素を含む。第1及び第2のグレーティング要素はそれぞれ、第1及び第2の処方を有する。第1及び第2の画像変調光はそれぞれ、第1視野角(FOV)及び第2FOVの画像情報によって変調される。第1の多重グレーティング要素は、当該少なくとも一つの層からの第1の画像変調光を第1の多重出力光線に偏向して第1のFOVタイルを形成するべく構成され、第2の多重グレーティング要素は、当該層からの第2の画像変調光を第2の多重出力光線に偏向して第2のFOVタイルを形成するべく構成される。第1及び第2の多重グレーティング要素の少なくとも一つは所定のパターンでテッセレーション化される。 In another embodiment, an apparatus for displaying an image includes an input image node configured to provide at least first and second image modulated light, and first and second image modulated light. And a holographic waveguide device configured to propagate at least one of the at least one in a first direction. The holographic waveguide device includes at least first and second scattered multi-grating elements disposed in at least one layer. The first and second grating elements have first and second formulations, respectively. The first and second image modulated lights are modulated by image information of the first viewing angle (FOV) and the second FOV, respectively. The first multiple grating element is configured to deflect the first image modulated light from the at least one layer to a first multiple output beam to form a first FOV tile, the second multiple grating element Is configured to deflect second image modulated light from the layer to a second multiple output beam to form a second FOV tile. At least one of the first and second multiple grating elements is tessellated in a predetermined pattern.
一実施例において、第1及び第2の多重グレーティング要素の少なくとも一つは、切り換えモード又は受動モードにあるSBG(切り換え可能ブラッググレーティング)を含む。 In one embodiment, at least one of the first and second multiple grating elements includes an SBG (switchable Bragg grating) that is in a switching mode or a passive mode.
一実施例において、第1及び第2の多重グレーティング要素の少なくとも一つは電気的に切り換え可能である。 In one embodiment, at least one of the first and second multiple grating elements is electrically switchable.
一実施例において、第1及び第2の多重グレーティング要素の少なくとも一つは、所定の最小レベルと最大レベルとの間にある回折効率を有する非回折状態及び回折状態を有する。 In one embodiment, at least one of the first and second multiple grating elements has a non-diffractive state and a diffractive state having a diffraction efficiency that is between a predetermined minimum level and a maximum level.
一実施例において、第1又は第2の多重グレーティング要素にあるすべての要素は切り換えられるべく構成される。 In one embodiment, all elements in the first or second multiple grating element are configured to be switched.
一実施例において、第1及び第2の多重グレーティング要素の少なくとも一つは回折状態を有し、及び回折状態の場合にある。第1のグレーティング要素は、当該少なくとも一つの層からの第1の画像変調光を第1の多重出力光線に偏向して第1のFOVタイルを形成するべく構成される。第2のグレーティング要素は、当該層からの第2の画像変調光を第2の多重出力光線に偏向して第2のFOVタイルを形成するべく構成される。 In one embodiment, at least one of the first and second multiple grating elements has a diffractive state and is in the diffractive state. The first grating element is configured to deflect the first image modulated light from the at least one layer into a first multiple output beam to form a first FOV tile. The second grating element is configured to deflect second image modulated light from the layer to a second multiple output beam to form a second FOV tile.
一実施例において、当該少なくとも一つの層は、パターン化された電極が適用される透明基板間に挟まれる。 In one embodiment, the at least one layer is sandwiched between transparent substrates to which patterned electrodes are applied.
一実施例において、当該少なくとも一つの層は、パターン化された電極が適用される透明基板間に挟まれ、当該パターン化された電極の少なくとも一つは、第1の多重の第1のグレーティング要素と重なる第1の多重電極要素、及び第2の多重の第2のグレーティング要素と重なる第2の多重電極要素を含む。 In one embodiment, the at least one layer is sandwiched between transparent substrates to which the patterned electrodes are applied, and at least one of the patterned electrodes is a first multiple first grating element. And a second multiple electrode element overlapping the second multiple second grating element.
一実施例において、第1及び第2の多重グレーティング要素の少なくとも一つは、空間依存の回折効率を有する。 In one embodiment, at least one of the first and second multiple grating elements has a spatially dependent diffraction efficiency.
一実施例において、第1及び第2の多重グレーティング要素の少なくとも一つは、導波路の長さに沿った距離とともに増加する回折効率を有する。 In one embodiment, at least one of the first and second multiple grating elements has a diffraction efficiency that increases with distance along the length of the waveguide.
一実施例において、当該少なくとも一つの層内において、グレーティング要素は、第1帯域内で、N1>N2の場合に整数N2の異なる処方の、N2>N3の場合にN3の異なる処方の、及びN3>N4の場合に整数N4の異なる処方の要素を包含する帯域が連続して左右に当接して散在された整数N1の異なる処方を有する。一実施例において、第1及び第2の多重グレーティング要素の少なくとも一つは、第1の帯域内で、9の異なる処方の、6の異なる処方の、及び1の処方の要素を包含する帯域が連続して左右に当接して散在された12の異なる処方を有する。 In one embodiment, in the at least one layer, the grating elements are in the first band, with a different prescription of integer N2 if N1> N2, N3 different prescriptions if N2> N3, and N3 For> N4, bands containing elements of different prescriptions of integer N4 have different prescriptions of integer N1 scattered in continuous contact with the left and right. In one embodiment, at least one of the first and second multi-grating elements has a band that includes nine different prescriptions, six different prescriptions, and one prescription element within the first band. It has 12 different prescriptions scattered in contact with the left and right in succession.
一実施例において、各FOVタイルは、無限遠に画像を与えるべく構成される。 In one embodiment, each FOV tile is configured to provide an image at infinity.
一実施例において、各FOVタイルは、人間の眼の遠点に画像を与えるべく構成される。 In one embodiment, each FOV tile is configured to provide an image at the far point of the human eye.
一実施例において、ホログラフィック導波路デバイスは、偏光回復のためのビームスプリッタ薄層、四分の一波長板及びグレーティングデバイスの少なくとも一つを含む。 In one embodiment, the holographic waveguide device includes at least one of a beam splitter thin layer for polarization recovery, a quarter wave plate, and a grating device.
一実施例において、所与の処方の少なくとも一つのグレーティング要素からの画像変調光が、人間の眼の瞳の瞬時アパチャを境界とする射出瞳領域内に存在する。一実施例において、所与の処方の少なくとも3つのグレーティング要素からの画像変調光が存在する。 In one embodiment, image modulated light from at least one grating element of a given prescription is present in the exit pupil region bounded by the instantaneous aperture of the human eye pupil. In one embodiment, there is image modulated light from at least three grating elements of a given prescription.
一実施例において、FOVタイルはFOV空間内で当接して矩形FOVを形成する。 In one embodiment, the FOV tiles abut in the FOV space to form a rectangular FOV.
一実施例において、FOVタイルはFOV空間内で当接して連続視野角を与える。 In one embodiment, FOV tiles abut in the FOV space to provide a continuous viewing angle.
一実施例において、FOVタイルの少なくとも2つが重なる。 In one embodiment, at least two of the FOV tiles overlap.
一実施例において、FOVタイルは当接して近似的に水平方向40度×垂直方向30度のFOVを与える。 In one embodiment, the FOV tiles abut to give an FOV approximately 40 degrees horizontal x 30 degrees vertical.
一実施例において、FOVタイルは当接して近似的に水平方向60度×垂直方向30度のFOVを与える。 In one embodiment, the FOV tiles abut to give an FOV approximately 60 degrees horizontal x 30 degrees vertical.
一実施例において、FOVタイルは当接して近似的に水平方向80度×垂直方向80度のFOVを与える。 In one embodiment, the FOV tiles abut to give an FOV approximately 80 degrees horizontal x 80 degrees vertical.
一実施例において、入力画像ノードはさらにスペックル除去器を含む。 In one embodiment, the input image node further includes a speckle remover.
一実施例において、第1及び第2の多重グレーティング要素の少なくとも一つがHPDLC(Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystal(ホログラフィック高分子分散型液晶))に記録される。 In one embodiment, at least one of the first and second multiple grating elements is recorded on a HPDLC (Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystal).
一実施例において、第1及び第2の多重グレーティング要素の少なくとも一つが逆モードのSBG(切り換え可能ブラッググレーティング)である。 In one embodiment, at least one of the first and second multiple grating elements is a reverse mode SBG (switchable Bragg grating).
一実施例において、ホログラフィック導波路デバイスは湾曲する。 In one embodiment, the holographic waveguide device is curved.
一実施例において、第1及び第2の多重グレーティング要素は種々の厚さを有する。 In one embodiment, the first and second multiple grating elements have different thicknesses.
一実施例において、ホログラフィック導波路デバイスは、エッジ同士が当接する切り子セクションを含む。 In one embodiment, the holographic waveguide device includes facet sections that abut edges.
一実施例において、ホログラフィック導波路デバイスは、エッジ同士が当接し、かつ、プラスチック連続湾曲体積に埋め込まれた切り子セクションを含む。 In one embodiment, a holographic waveguide device includes a facet section that abuts edges and is embedded in a plastic continuous curved volume.
一実施例において、ホログラフィック導波路デバイスはプラスチックを含む。 In one embodiment, the holographic waveguide device includes plastic.
一実施例において、ホログラフィック導波路デバイスは、射出瞳の第1の方向への拡張を与えるべく構成され、ビーム拡張器が、射出瞳の第2の方向への拡張を与えるべく構成される。 In one embodiment, the holographic waveguide device is configured to provide an extension of the exit pupil in a first direction and the beam expander is configured to provide an extension of the exit pupil in a second direction.
一実施例において、ホログラフィック導波路デバイスは、射出瞳の第1の方向への拡張を与えるべく構成され、ビーム拡張器が、射出瞳の第1の方向と直交する第2の方向への拡張を与えるべく構成される。 In one embodiment, the holographic waveguide device is configured to provide expansion in the first direction of the exit pupil and the beam expander extends in a second direction orthogonal to the first direction of the exit pupil. Configured to give
一実施例において、ビーム拡張器はさらに、入力画像ノードからの画像変調光のための入力ポートと、出力ポートと、光を第2の方向へ伝播させるべく構成された少なくとも一つの導波路層とを含む。当該少なくとも一つの導波路層は、第2の方向に沿った基板から変調光を抽出して出力ポートを通して第1の方向に向けるべく構成された少なくとも一つのグレーティング薄層を含む。 In one embodiment, the beam expander further includes an input port for image modulated light from the input image node, an output port, and at least one waveguide layer configured to propagate the light in the second direction. including. The at least one waveguide layer includes at least one thin grating layer configured to extract modulated light from the substrate along the second direction and direct it through the output port in the first direction.
一実施例において、ビーム拡張器はさらに、隣接した配置される少なくとも2つのグレーティング薄層を含む少なくとも一つの導波路層を含む。 In one embodiment, the beam expander further includes at least one waveguide layer including at least two grating thin layers disposed adjacent to each other.
一実施例において、ビーム拡張器はさらに、少なくとも2つの重なったグレーティング薄層を含む少なくとも一つの導波路層を含む。 In one embodiment, the beam expander further includes at least one waveguide layer that includes at least two overlapping grating laminae.
一実施例において、ビーム拡張器は、偏光回復のためのビームスプリッタ薄層、四分の一波長板及びグレーティングデバイスの少なくとも一つを含む。 In one embodiment, the beam expander includes at least one of a thin beam splitter layer for polarization recovery, a quarter wave plate, and a grating device.
一実施例において、第1及び第2の画像変調光は連続的に提示される。 In one embodiment, the first and second image modulated lights are presented continuously.
一実施例において、第1及び第2の変調画像光の少なくとも一つは、導波路デバイス内で内部全反射(TIR)を受ける。 In one embodiment, at least one of the first and second modulated image light undergoes total internal reflection (TIR) within the waveguide device.
一実施例において、入力画像ノードは、マイクロディスプレイ、当該マイクロディスプレイを照明するべく構成された光源、当該マイクロディスプレイに画像データを書き込むプロセッサ、並びにコリメーションレンズ、リレーレンズ、ビームスプリッタ及び拡大レンズの少なくとも一つを含む。 In one embodiment, the input image node includes at least one of a microdisplay, a light source configured to illuminate the microdisplay, a processor that writes image data to the microdisplay, and a collimation lens, a relay lens, a beam splitter, and a magnification lens. Including one.
一実施例において、第1及び第2の多重グレーティング要素は、所定のパターンにテッセレーション化される。 In one embodiment, the first and second multiple grating elements are tessellated into a predetermined pattern.
一実施例において、当該所定のパターンは、周期パターン、非周期パターン、自己相似パターン、非自己相似タイル張りパターン及びランダム分布パターンの少なくとも一つである。一実施例において、非周期パターンはペンローズタイル張りパターンである。もう一つの実施例において、自己相似パターンはペンローズタイル張りパターンである。 In one embodiment, the predetermined pattern is at least one of a periodic pattern, an aperiodic pattern, a self-similar pattern, a non-self-similar tiling pattern, and a random distribution pattern. In one embodiment, the aperiodic pattern is a Penrose tiled pattern. In another embodiment, the self-similar pattern is a Penrose tiling pattern.
一実施例において、第1又は第2の多重グレーティング要素におけるすべての要素は、同時に回折状態に切り換えられるべく構成される。 In one embodiment, all elements in the first or second multi-grating element are configured to be switched to the diffractive state simultaneously.
一実施例において、第1及び第2の多重グレーティング要素の少なくとも一つは、少なくとも一つの対称軸を有する。 In one embodiment, at least one of the first and second multiple grating elements has at least one axis of symmetry.
一実施例において、第1及び第2の多重グレーティング要素の少なくとも一つは、正方形、三角形及び菱形の少なくとも一つを含む形状を有する。 In one embodiment, at least one of the first and second multiple grating elements has a shape that includes at least one of a square, a triangle, and a diamond.
一実施例において、第1の多重グレーティング要素の複数の要素は第1の幾何形状を有し、第2の多重グレーティング要素の複数の要素は第2の幾何形状を有する。 In one embodiment, the plurality of elements of the first multiple grating element have a first geometry and the plurality of elements of the second multiple grating element have a second geometry.
一実施例において、第1及び第2のグレーティング要素の少なくとも一つは、少なくとも2つの異なる幾何形状を有する。 In one embodiment, at least one of the first and second grating elements has at least two different geometric shapes.
一実施例において、当該少なくとも一つの層にあるすべてのグレーティング要素は、一つの波長に対して最適化される。 In one embodiment, all grating elements in the at least one layer are optimized for one wavelength.
一実施例において、当該少なくとも一つの層にある第1及び第2のグレーティング要素の少なくとも一つは、少なくとも2つの波長に対して最適化される。 In one embodiment, at least one of the first and second grating elements in the at least one layer is optimized for at least two wavelengths.
一実施例において、第1及び第2のグレーティング要素の少なくとも一つは、少なくとも2つの異なる波長に対して最適化された多重化処方を有する。 In one embodiment, at least one of the first and second grating elements has a multiplexed recipe that is optimized for at least two different wavelengths.
一実施例において、第1及び第2のグレーティング要素の少なくとも一つは、少なくとも2つの異なる回折効率角度帯域に対して最適化された多重化処方を有する。 In one embodiment, at least one of the first and second grating elements has a multiplexed recipe that is optimized for at least two different diffraction efficiency angular bands.
一実施例において、第1及び第2の画像変調光の少なくとも一つはコリメートされる。 In one embodiment, at least one of the first and second image modulated light is collimated.
一実施例において、第1及び第2の画像変調光の少なくとも一つは偏光される。 In one embodiment, at least one of the first and second image modulated light is polarized.
一実施例において、装置はさらに、少なくとも一波長の光を与えるレーザを含む照明源を含む。 In one embodiment, the apparatus further includes an illumination source that includes a laser that provides at least one wavelength of light.
一実施例において、ホログラフィック導波路デバイスは、透明ディスプレイを与えるべく構成される。 In one embodiment, the holographic waveguide device is configured to provide a transparent display.
いくつかの実施例において与えられるのは、ここに記載される装置を含むデバイスである。デバイスは、反射型ディスプレイの一部である。デバイスは、第1及び第2の画像変調光が左眼及び右眼の視点ビューを与える立体視ディスプレイの一部である。デバイスは、実像形成ディスプレイの一部である。デバイスは、HMD、HUD及びHDDの少なくとも一つの一部である。デバイスは、コンタクトレンズの一部である。 In some embodiments, a device is provided that includes the apparatus described herein. The device is part of a reflective display. The device is part of a stereoscopic display in which the first and second image modulated light provides a left eye and right eye viewpoint view. The device is part of a real image forming display. The device is a part of at least one of HMD, HUD, and HDD. The device is part of a contact lens.
一実施例において、入力画像ノードは、マイクロディスプレイ、当該マイクロディスプレイを照明するべく構成された光源、当該マイクロディスプレイに画像データを書き込むプロセッサ、並びにコリメーションレンズ、リレーレンズ、ビームスプリッタ及び拡大レンズの少なくとも一つを含む。 In one embodiment, the input image node includes at least one of a microdisplay, a light source configured to illuminate the microdisplay, a processor that writes image data to the microdisplay, and a collimation lens, a relay lens, a beam splitter, and a magnification lens. Including one.
もう一つの実施例において与えられるのは、画像を表示する方法であって、(i)一の入力画像ノードと、M及びNを整数として(M×N)散在多重グレーティング要素を含む一のホログラフィック導波路デバイスとを含む一の装置を与えることと、(ii)整数1≦I≦N及び1≦J≦Mに対し視野角(FOV)タイル(I,J)に対応する画像変調光(I,J)入力画像ノードを生成することと、(iii)処方整合FOVタイル(I,J)の複数のグレーティング要素をこれらの回折状態に切り換えることと、(iv)処方整合FOVタイル(I,J)の複数のグレーティング要素を、画像変調光(I,J)によって照明することと、(v)画像変調光I,Jを回折してFOVタイルI,Jにすることとを含む方法である。
In another embodiment, provided is a method for displaying an image, comprising: (i) one input image node and one hologram including scattered multiple grating elements, where M and N are integers (M × N). And (ii) image modulated light corresponding to the viewing angle (FOV) tile (I, J) for
一実施例において、方法はさらに、完全なFOVタイルが達成されるまで(ii)〜(v)を繰り返すことを含む。 In one embodiment, the method further includes repeating (ii)-(v) until a complete FOV tile is achieved.
一実施例において、方法はさらに、入力画像をサンプリングして複数の角度インターバルにすることであって、当該複数の角度インターバルのそれぞれは、瞳全体のサイズの割合である一の有効射出瞳を有することを含む。 In one embodiment, the method further includes sampling the input image into a plurality of angular intervals, each of the plurality of angular intervals having a single effective exit pupil that is a fraction of the size of the entire pupil. Including that.
一実施例において、方法はさらに、第1及び第2の光学基板の少なくとも一つの当該少なくとも一つのグレーティング薄層のグレーティング厚さ、屈折率変調、kベクトル、表面グレーティング周期及びホログラム・基板屈折率差の少なくとも一つを修正することによって画像の表示を改善することを含む。 In one embodiment, the method further includes grating thickness, refractive index modulation, k vector, surface grating period, and hologram-substrate refractive index difference of at least one of the first and second optical substrates. Improving the display of the image by modifying at least one of the following:
なお、上述の概念及び以下に詳細に記載される追加的な概念のすべての組み合わせは(かかる概念が互いに矛盾しない限り)、ここに記載される発明主題の一部として意図される。特に、本開示の最後に現れる請求に係る主題のすべての組み合わせは、ここに記載される発明主題の一部として意図される。なお、ここに明示的に使用される用語であって、参照として組み入れられる任意の開示に現れる用語も、ここに記載される特定の概念と最も一貫する意味が与えられるべきである。 It should be noted that all combinations of the above concepts and additional concepts described in detail below (as long as such concepts do not contradict each other) are intended as part of the inventive subject matter described herein. In particular, all combinations of claimed subject matter appearing at the end of this disclosure are contemplated as part of the inventive subject matter described herein. It should be noted that terms explicitly used herein and appearing in any disclosure incorporated by reference should also be given the meaning most consistent with the specific concepts described herein.
ここに与えられる少なくともいくつかの実施例は、米国特許第8,233,204号明細書に開示されるタイプの導波路HMDにおける多重の異なるグレーティング処方を使用して、大きなFOVをタイル張りする課題を克服する。一実施例において、グレーティング角度帯域の制約条件が、FOVタイルのサイズを約10°×10°までに制限する結果、垂直及び水平方向のFOVタイル数が増加するにつれて手に負えないほど大きなグレーティング積層がもたらされる。フルカラーを達成しようとすれば、層の数は3桁増加する。 At least some examples given herein are the task of tiling a large FOV using multiple different grating formulations in a waveguide HMD of the type disclosed in US Pat. No. 8,233,204. Overcome. In one embodiment, the grating angular bandwidth constraint limits the size of the FOV tile to about 10 ° × 10 °, resulting in an unmanageably large grating stack-up as the number of vertical and horizontal FOV tiles increases. Is brought about. If one tries to achieve full color, the number of layers increases by three orders of magnitude.
ここに記載される実施例の一つの重要な特徴は、異なる処方のグレーティングを積層する代わりに、これらを小さな要素に細切れにすることにある。当該小さな要素はその後、散在されて一以上の重なる層にあるテッセレーションパターンにされる。 One important feature of the embodiments described herein is that instead of laminating different formulations of gratings, they are chopped into small elements. The small elements are then interspersed into a tessellation pattern in one or more overlapping layers.
一実施例のテッセレーション化されたディスプレイは、入力画像ノード(IIN)と、第1のビーム拡張器導波路(通常は垂直方向)と、接眼部としても機能する第2のビーム拡張器導波路(通常は水平方向)とを含む。一実施例において、接眼部は、テッセレーション機能及びビーム拡張機能を組み合わせる。各導波路は、入力及び出力ブラッググレーティングを包含する。各導波路は、一を超えるグレーティング層を含む。カラーの実施例において、各原色に対して別個のモノクロ導波路が使用される。カラーを与えるもう一つのオプションは、異なるカラー処方を有するホログラムがスーパーインポーズされる多重化されたグレーティングを、一の導波路に記録することである。多重化はまた、異なる角度帯域のグレーティングを組み合わせるためにも使用される。 In one embodiment, the tessellated display includes an input image node (IIN), a first beam expander waveguide (usually in the vertical direction), and a second beam expander guide that also functions as an eyepiece. Waveguide (usually in the horizontal direction). In one embodiment, the eyepiece combines a tessellation function and a beam expansion function. Each waveguide includes input and output Bragg gratings. Each waveguide includes more than one grating layer. In the color embodiment, a separate monochrome waveguide is used for each primary color. Another option for providing color is to record multiplexed gratings in one waveguide on which holograms with different color recipes are superimposed. Multiplexing is also used to combine gratings with different angular bands.
多くの異なるテッセレーションスキームが可能である。これらは、周期(すなわち側方変位の下で不変である)、非周期、自己相似及びランダムなスキームを含む。パターンは、中心FOV近くにおける詳細を与えるべく設計される。ここに与えられる複数の実施例は、受動又は切り換え可能のテッセレーションソリューションを含み、かつ、受動要素及び切り換え可能要素を組み合わせたハイブリッドソリューションを含む。 Many different tessellation schemes are possible. These include periodic (ie, invariant under lateral displacement), aperiodic, self-similar and random schemes. The pattern is designed to give details near the central FOV. The embodiments provided herein include passive or switchable tessellation solutions and include hybrid solutions that combine passive and switchable elements.
一実施例において、各テッセレーション要素から回折された光線は、射出瞳においてフットプリントを形成する。典型的に、かかるフットプリントは、瞬時の眼の瞳面積内に少なくとも2つ必要である。正確な数は、テッセレーションのサイズ及び形状のようなファクタに依存する。一実施例において、テッセレーションは、顕著な設計及び製造課題を提示する。小さな(数ミリメートルの)グレーティング要素は、解像度の損失及び照明のリップルをもたらす。これらは双方とも修正困難であることがわかっている。テッセレーション化されたホログラフィックアレイのホログラフィック記録及び電極パターン形成は現行プロセスによっては難しい。これらの課題は、受動グレーティング要素を使用することで克服できる。一実施例において、グレーティングを薄くすることにより、接平面における帯域が増加される一方、直交かつサジタル平面においては広帯域が達成される。テッセレーションは、上記設計及び製造課題が解決できれば、大きなFOVへの道筋を与えてくれる。カラーの80°×80°FOVが合理的な目標である。 In one embodiment, the rays diffracted from each tessellation element form a footprint at the exit pupil. Typically, at least two such footprints are required within the instantaneous eye pupil area. The exact number depends on factors such as tessellation size and shape. In one embodiment, tessellation presents significant design and manufacturing challenges. Small (a few millimeters) grating elements result in loss of resolution and illumination ripple. Both of these have proven difficult to correct. Holographic recording and electrode patterning of tessellated holographic arrays is difficult with current processes. These challenges can be overcome by using passive grating elements. In one embodiment, thinning the grating increases the bandwidth in the tangential plane while achieving broadband in the orthogonal and sagittal plane. Tessellation will provide a great path to FOV if the above design and manufacturing issues can be solved. Color 80 ° × 80 ° FOV is a reasonable goal.
一実施例は、拡大された射出瞳(又はアイボックス)を与えるべく、別個の垂直及び水平方向のビーム拡張導波路を使用する。一実施例において、IINからのコリメートされた画像光が、FOVがマイクロディスプレイ及びコリメート光学機器により画定された第1のビーム拡張導波路に供給される。一実施例は、入力又は「結合」光学機器が、多くの異なる態様で構成されることを許容する。当該態様は、古典的な光学レンズ・鏡設計から、全面的に回折(ホログラフィック)光学機器に基づくコンパクト設計にまで及ぶ。一実施例は、(大きなFOVにとっては切り換え可能グレーティングの使用が好ましいが)完全に受動のグレーティングを使用して実装される。従来型の受動グレーティングでは動作しない。受動SBGを使用する一つの利点は、グレーティングの屈折率変調を、対応する広い範囲の回折効率で極低値から極高値までチューニングできることにある。SBGの高い屈折率変調は、ブラッグ縞を形成する高分子豊富領域とLC(Liquid Crystal(液晶))豊富領域が交互の帯域に起因する。代替的に、能動グレーティングも使用することができる。能動グレーティングは、対応する広い範囲の回折効率で極低値から極高値までチューニングすることができる。 One embodiment uses separate vertical and horizontal beam expansion waveguides to provide an enlarged exit pupil (or eyebox). In one embodiment, collimated image light from the IIN is provided to a first beam-expanding waveguide in which the FOV is defined by a microdisplay and collimating optics. One embodiment allows the input or “couple” optics to be configured in many different ways. Such aspects range from classical optical lens / mirror designs to compact designs based entirely on diffractive (holographic) optics. One embodiment is implemented using a completely passive grating (although the use of a switchable grating is preferred for large FOVs). It does not work with conventional passive gratings. One advantage of using a passive SBG is that the refractive index modulation of the grating can be tuned from very low to very high with a corresponding wide range of diffraction efficiencies. The high refractive index modulation of SBG is caused by the bands of alternating polymer-rich regions and LC (Liquid Crystal) -rich regions that form Bragg stripes. Alternatively, active gratings can also be used. The active grating can be tuned from a very low value to a very high value with a corresponding wide range of diffraction efficiencies.
垂直及び水平方向ビーム拡張器は、損失が多い導波路に基づく。すなわち、導波路であって、その長さに沿って当該導波路から光を均一に抽出するべく設計された導波路である。出願日2013年3月15日の米国特許出願第13/844456号明細書に実証されるように、これは、グレーティングの厚さの変更(及び変調)によって達成することができる。一実施例において、その最も簡単な場合にこれは、ウェッジ付きグレーティングを(セル壁を傾斜させることによって)作ることを伴う。その結果、ホログラムの厚さは、伝播方向に増加する。一般に、グレーティングの厚さは、1.0〜1.2ミクロンから2.8〜3.0ミクロンまでばらつく。厚さが小さいと、最低効率(かつ最大角度帯域)になる。いくつかの実施例は、2つのウェッジ角を使用して厚さを直交方向に変更することによるか又はグレーティングの片面又は両面に曲率を適用することによる一般的な態様での、洗練された抽出制御を許容する。 Vertical and horizontal beam expanders are based on lossy waveguides. That is, a waveguide that is designed to uniformly extract light from the waveguide along its length. This can be achieved by changing (and modulating) the thickness of the grating, as demonstrated in US patent application Ser. No. 13 / 844,456, filed March 15, 2013. In one embodiment, in its simplest case this involves making a wedged grating (by tilting the cell wall). As a result, the thickness of the hologram increases in the propagation direction. In general, the thickness of the grating varies from 1.0 to 1.2 microns to 2.8 to 3.0 microns. If the thickness is small, the minimum efficiency (and the maximum angle band) is achieved. Some embodiments have refined extraction in a general manner by using two wedge angles to change the thickness in the orthogonal direction or by applying curvature to one or both sides of the grating Allow control.
一実施例において、ビーム拡張グレーティングは極めて薄い(3ミクロンよりも十分に小さい)。その結果、極めて広い回折効率角度帯域が得られる。厚さ及び屈折率変調を最適化することにより、ディスプレイに必要な所望のグレーティング特性のすべてを満たすことができる。当該特性とは、例えば、グレーティングに結合するための極めて高い効率及び当該効率のための大きなダイナミックレンジ、ビーム拡張に必要な均一な抽出である。 In one embodiment, the beam expansion grating is very thin (much smaller than 3 microns). As a result, an extremely wide diffraction efficiency angle band can be obtained. By optimizing the thickness and refractive index modulation, all of the desired grating properties required for the display can be met. The characteristic is, for example, extremely high efficiency for coupling to the grating, a large dynamic range for the efficiency, and uniform extraction required for beam expansion.
画像転送効率及びフォームファクタを向上させるべく、画像サンプリングを使用することができる。幅が広いFOV画像光を導波路に結合することは通常、導波路まで効率的に伝播され得る画像角度コンテンツが、限られた角度範囲に起因して、ある程度失われる結果となる。この光の一部は導波路から結合解除される。ここに記載される少なくともいくつかの実施例は、入力画像をサンプリングして多重角度インターバルにすることによってこの課題を克服する。多重角度インターバルのそれぞれは一の有効射出瞳を有する。有効射出瞳とは、瞳全体のサイズの割合であり、導波路の厚さもこれに対応して低減される。 Image sampling can be used to improve image transfer efficiency and form factor. Coupling wide FOV image light into a waveguide typically results in some loss of image angle content that can be efficiently propagated to the waveguide due to the limited angular range. A portion of this light is decoupled from the waveguide. At least some embodiments described herein overcome this challenge by sampling the input image into multi-angle intervals. Each multi-angle interval has one effective exit pupil. The effective exit pupil is a ratio of the size of the entire pupil, and the thickness of the waveguide is correspondingly reduced.
ここに与えられる実施例の一つの特徴は、各導波路の入力及び出力における固定周波数表面グレーティングを、回転されたkベクトルと組み合わせることにある。表面グレーティングは、ブラッグ縞と基板エッジとの交差であり、導波路の基本的な光線光学を(近似的に)説明する。kベクトルは、ブラッググレーティングに直交する方向であり、グレーティングの回折効率と角度特性との関係を説明する。kベクトル方向を導波路伝播方向に沿うように変更すること(kベクトル回転)により、第1に、画像光の導波路への効率的な結合を与えることが、第2に、ひとたび結合されると、所望の角度コンテンツすべてが高効率で導波路まで確実に送信されることが可能となる。kベクトル回転は、上述のように、グレーティング厚さ制御によって増大されるのが望ましい。 One feature of the embodiment given here is that it combines a fixed frequency surface grating at the input and output of each waveguide with the rotated k-vector. A surface grating is the intersection of a Bragg stripe and a substrate edge and describes (approximately) the basic ray optics of a waveguide. The k vector is a direction orthogonal to the Bragg grating, and the relationship between the diffraction efficiency of the grating and the angle characteristic will be described. By changing the k-vector direction to be along the waveguide propagation direction (k-vector rotation), first, providing efficient coupling of image light to the waveguide is secondly coupled once All the desired angular content can be reliably transmitted to the waveguide with high efficiency. The k-vector rotation is preferably increased by grating thickness control as described above.
一般に、角度コンテンツの導波路への伝播は、以下の一つ以上を精細にチューニングすることによって最適化することができる。すなわち、グレーティング厚さ、屈折率変調、kベクトル回転、表面グレーティング周期及びホログラム・基板屈折率差である。テッセレーションパターンは、導波路アイ追跡器を実装する赤外感知要素を含む。 In general, the propagation of angular content into a waveguide can be optimized by finely tuning one or more of the following: That is, grating thickness, refractive index modulation, k vector rotation, surface grating period, and hologram / substrate refractive index difference. The tessellation pattern includes an infrared sensing element that implements a waveguide eye tracker.
SBGデバイスSBG device
かなり大きな視野角を作る一つの方法は、これを解析して一組の小さな視野角(それぞれが導波路の光学的制限に適合する)にし、かつ、これらを、眼が統一広角ディスプレイとして認識する程度に迅速に(時間)連続的に表示することにある。これを行う一つの方法は、極めて迅速にオン及びオフに連続的に切り換えることができるホログラフィック要素を使用することによる。かかる切り換え可能ホログラフィック要素を与えるための一つの望ましいソリューションは、切り換え可能ブラッググレーティング(SBG)として知られるデバイスである。 One way to create a fairly large viewing angle is to analyze it into a set of small viewing angles (each of which meets the optical limitations of the waveguide), and these are recognized by the eye as a unified wide-angle display. It is to display continuously (time) as quickly as possible. One way to do this is by using holographic elements that can be switched on and off continuously very quickly. One desirable solution for providing such a switchable holographic element is a device known as a switchable Bragg grating (SBG).
回折光学要素(DOE)の光学設計上の利点は、固有かつ効率的なフォームファクタ、並びに屈折力及び薄層への拡散のような複合的な光学機能をエンコードする能力を含む。高い回折効率を提供するブラッググレーティング(一般には体積位相グレーティング又はホログラムとも称する)が、ヘッドアップディスプレイのようなデバイスにおいて広く使用されている。重要なクラスのブラッググレーティングデバイスは、切り換え可能ブラッググレーティング(SBG)として知られている。SBGは、体積位相グレーティング又はホログラムを高分子分散型液晶(PDLC)混合物に記録することによって形成される回折デバイスである。典型的に、SBGデバイスは、まず、光重合可能な単量体と液晶材料との混合物からなる薄フィルムを平行なガラス板又は基板間に配置することによって製造される。一方又は双方のガラス基板が、PDLC層間に電界を適用するための、例えば透明なインジウムスズ酸化物フィルムを含む電極をサポートする。体積位相グレーティングがその後、干渉して所望のグレーティング構造を形成する2つの相互にコヒーレントなレーザビームを使用して液体材料を照明することによって記録される。記録プロセス中、単量体が重合し、かつ、HPDLC混合物が相分離を受ける。これにより、液晶の微細液滴が密集した領域が作られ、透明な高分子の領域が散在される。液晶豊富と液晶枯渇の交互領域が、グレーティングの縞平面を形成する。得られた体積位相グレーティングは、極めて高い回折効率を示し得る。当該回折効率は、PDLC層間に適用される電界の大きさによって制御することができる。電界が透明電極を介してホログラムに適用される場合、LC液滴の自然配向が変更されることにより、当該縞の屈折率変調が低減し、かつ、ホログラム回折効率が極めて低レベルまで下降する。なお、当該デバイスの回折効率は、例えば、電圧適用のない100%に近い効率から、十分な高電圧が適用される実質的にゼロの効率までの連続範囲にわたる適用電圧によって、調整することができる。 Optical design advantages of diffractive optical elements (DOEs) include inherent and efficient form factors and the ability to encode complex optical functions such as refractive power and diffusion into thin layers. Bragg gratings (commonly referred to as volume phase gratings or holograms) that provide high diffraction efficiency are widely used in devices such as head-up displays. An important class of Bragg grating devices is known as Switchable Bragg Grating (SBG). An SBG is a diffractive device formed by recording a volume phase grating or hologram in a polymer dispersed liquid crystal (PDLC) mixture. Typically, SBG devices are manufactured by first placing a thin film of a mixture of photopolymerizable monomer and liquid crystal material between parallel glass plates or substrates. One or both glass substrates support an electrode comprising, for example, a transparent indium tin oxide film, for applying an electric field between the PDLC layers. The volume phase grating is then recorded by illuminating the liquid material using two mutually coherent laser beams that interfere to form the desired grating structure. During the recording process, the monomers polymerize and the HPDLC mixture undergoes phase separation. Thereby, a region where fine liquid crystal droplets are densely formed is formed, and transparent polymer regions are scattered. Alternating regions of liquid crystal richness and liquid crystal depletion form the grating fringe plane. The resulting volume phase grating can exhibit very high diffraction efficiency. The diffraction efficiency can be controlled by the magnitude of the electric field applied between the PDLC layers. When an electric field is applied to the hologram via the transparent electrode, the natural orientation of the LC droplet is changed, thereby reducing the refractive index modulation of the fringes and lowering the hologram diffraction efficiency to a very low level. Note that the diffraction efficiency of the device can be adjusted, for example, by an applied voltage over a continuous range from an efficiency close to 100% with no voltage applied to substantially zero efficiency where a sufficiently high voltage is applied. .
SBGは、自由空間アプリケーションのための透過型又は反射型グレーティングを与えるべく使用することができる。SBGは、HPDLCが導波路コア又は当該導波路に近接するエバネッセント結合層のいずれかを形成する導波路デバイスとして実装される。ここで基板導波光学機器(Substrate Guided Optics(SGO))と称される一つの特定構成では、HPDLCセルを形成するべく使用される平行なガラス板が、内部全反射(TIR)光導波路構造を与える。光がSBGとの「結合」を解除されるのは、当該光が切り換え可能グレーティングによってTIR条件を超える角度で回折される場合である。SGOは現在のところ、様々なディスプレイ及びセンサのアプリケーションにおいて注目されている。HPDLCに関する初期の研究のほとんどは反射型ホログラムに向けられていたが、透過型デバイスの方が、光学システム構成要素としてかなり多用途であることがわかりつつある。 SBGs can be used to provide transmissive or reflective gratings for free space applications. The SBG is implemented as a waveguide device in which the HPDLC forms either a waveguide core or an evanescent coupling layer proximate to the waveguide. In one particular configuration, referred to herein as Substrate Guided Optics (SGO), the parallel glass plates used to form the HPDLC cell have a total internal reflection (TIR) optical waveguide structure. give. The light is decoupled from the SBG when it is diffracted by the switchable grating at an angle that exceeds the TIR condition. SGO is currently attracting attention in various display and sensor applications. Most of the early work on HPDLC was directed to reflection holograms, but transmissive devices are becoming much more versatile as optical system components.
SBGにおいて使用されるHPDLCは、液晶(LC)、単量体、光重合開始剤染料及び共重合開始剤を含む。混合物は界面活性剤を含む。特許及び科学文献は、SBGを製造するべく使用され得る材料システム及びプロセスの多くの例を包含する。2つの基本特許は、Sutherlandによる米国特許第5,942,157号明細書、及びTanaka等による米国特許第5,751,452号明細書である。双方の出願が、SBGデバイスを製造するのに適した単量体及び液晶材料の組み合わせを記載する。 HPDLC used in SBG includes liquid crystal (LC), monomer, photoinitiator dye and copolymerization initiator. The mixture includes a surfactant. The patent and scientific literature includes many examples of material systems and processes that can be used to manufacture SBGs. Two basic patents are U.S. Pat. No. 5,942,157 by Sutherland and U.S. Pat. No. 5,751,452 by Tanaka et al. Both applications describe a combination of monomer and liquid crystal material suitable for manufacturing SBG devices.
透過型SBGの周知の属性の一つは、LC分子がグレーティング縞平面に対する直交方向に整合する傾向である。LC分子整合の効果は、透過型SBGが、効率的にP偏光(すなわち、入射平面内の偏光ベクトルを有する光)を回折するが、S偏光(すなわち、入射平面に対して直交する偏光ベクトルを有する光)に対してはほぼゼロの回折効率を有する点にある。空気中のガラス光導波路は、内部入射角が約42度を上回る場合、内部全反射によって光を伝播する。したがって、典型的には、ここに記載される透過型SBGは、導波路に入る入力P偏光をTIR(内部全反射)角約42から約70度まで回折するべく、又はTIR光を前記角度で出力光経路まで回折するべくSBG設計を使用する。 One well-known attribute of transmissive SBG is the tendency of LC molecules to align in a direction orthogonal to the grating fringe plane. The effect of LC molecular matching is that the transmissive SBG efficiently diffracts P-polarized light (ie, light having a polarization vector in the incident plane), but S-polarized light (ie, polarization vector orthogonal to the incident plane). The light has a diffraction efficiency of almost zero. A glass optical waveguide in air propagates light by total internal reflection when the internal incident angle exceeds about 42 degrees. Thus, typically, the transmissive SBG described herein diffracts input P-polarized light entering the waveguide from a TIR (total internal reflection) angle of about 42 to about 70 degrees, or TIR light at that angle. SBG design is used to diffract to the output light path.
通常は、SBGは、電圧が適用されない場合に回折を行い、他の時点において電圧が適用される場合に光学的受動状態に切り換えられる。しかしながら、SBGは、電圧が適用された場合に回折を行い、かつ、他の場合すべてで光学的受動のままとなる逆モードで動作するべく設計することもできる。逆モードSBGを製造する方法は、例えばPopovich等による国際出願第GB2012/000680号明細書に開示されるような任意の適切な方法である。同文献はまた、ニアアイ(near eye)アプリケーションにおける改善された耐久性、軽量性及び安全性という利点を与えるべくどのようにして可撓性プラスチック基板を使用してSBGを製造するのかも開示する。 Normally, the SBG diffracts when no voltage is applied and is switched to an optical passive state when the voltage is applied at other times. However, the SBG can also be designed to operate in a reverse mode that diffracts when a voltage is applied and remains optically passive in all other cases. The method of manufacturing the reverse mode SBG is any suitable method as disclosed, for example, in international application GB2012 / 000680 by Popovich et al. The document also discloses how flexible plastic substrates are used to make SBGs to provide the advantages of improved durability, light weight and safety in near eye applications.
添付図面を参照して例示のみにより、本発明を以下にさらに記載する。当業者にとって明らかなことであるが、本発明は、以下の説明に記載される本発明の一部又はすべてについて実施することができる。本発明を説明する目的のため、光学設計及び視認ディスプレイの当業者に知られている光学技術の周知の特徴は、本発明の基本原理をあいまいとしないように省略又は簡略化されている。特に記載しない限り、光線又はビームの方向に関連する「軸上」という用語は、本発明に関連して記載される光学コンポーネントの表面に直交する軸に対して平行な伝播を言及する。以下の記載において、光、光線、ビーム及び方向という用語は、相互交換可能にかつ互いに関連して、直線軌道に沿う光エネルギーの伝播方向を示すべく使用される。以下の説明の複数部分は、光学設計の当業者が通常用いる用語を使用して提示される。以下の説明において、「一実施例における」というフレーズの繰り返しの使用は、必ずしも同じ実施例を言及するわけではないことにも留意すべきである。 The invention is further described below by way of example only with reference to the accompanying drawings. As will be apparent to those skilled in the art, the present invention may be practiced with some or all of the inventions described in the following description. For the purpose of illustrating the invention, well-known features of optical technology known to those skilled in the art of optical design and viewing displays have been omitted or simplified so as not to obscure the basic principles of the invention. Unless otherwise stated, the term “on-axis” in relation to the direction of a light beam or beam refers to propagation parallel to an axis perpendicular to the surface of the optical component described in connection with the present invention. In the following description, the terms light, ray, beam and direction are used interchangeably and in conjunction with each other to indicate the direction of propagation of light energy along a linear trajectory. Portions of the following description are presented using terms commonly used by those skilled in the art of optical design. It should also be noted that in the following description, repeated use of the phrase “in one embodiment” does not necessarily refer to the same embodiment.
ここに与えられる実施例の一つの重要な特徴は、かなり大きな視野角を作る一つの方法が、当該大きな視野角を解析して一組の小さな視野角(それぞれが導波路の光学的制限に適合する)にし、かつ、これらを、眼が統一画像として認識する程度に高速に(時間)連続的に表示することであるとの理解にある。 One important feature of the embodiment given here is that one way to create a fairly large viewing angle is to analyze the large viewing angle and set a small set of viewing angles (each adapted to the optical limitations of the waveguide). And that these are displayed continuously (time) at such a high speed that the eye recognizes them as a unified image.
これを行う一つの方法は、極めて迅速にオン及びオフに連続切り換えができるホログラフィック要素による。出願日2012年4月25日の米国仮特許出願第61/687,436号明細書が示しているのは、高解像度の超広視野角を時間連続的にタイル張りするべく、多重SBGが同じ導波路に一緒に積層し、かつ、迅速承継的にアクティブにできることである。さらに、各サブ視野角が、関連付けられた画像素子のフルデジタル解像度を有し、人間の眼の視力限界に近いか又はこれさえも超える画像の形成が可能となる。 One way to do this is with a holographic element that can be switched on and off very quickly. US Provisional Patent Application No. 61 / 687,436, filed April 25, 2012, shows that multiple SBGs are the same to tile high resolution ultra wide viewing angles in a time-continuous manner. It can be laminated together in a waveguide and activated quickly and in succession. In addition, each sub-viewing angle has a full digital resolution of the associated image element, allowing the formation of images that are close to or even beyond the vision limit of the human eye.
この初期の出願に開示されるタイル張りは、標準的な導波アーキテクチャの双子の欠陥(すなわち限られた視野角及び限られたピクセル解像度)を克服する一方、大きな視野角全体に垂直方向及び水平方向にタイルすることが必要な場合に限界がある。小さなFOV及び一方向のみの拡張を有するモノクロディスプレイに対しては、単にグレーティング平面を積層するだけでタイル張りを遂行することができる。しかしながら、視野角が双方の方向に拡張され、かつ、カラーが付加される場合、このアプローチにより必要な層の数は、急速に非実用的となる。例えば、図1を考慮すると、ディスプレイを与えるビーム偏向システムの概略図を示す。ディスプレイは、画像生成器2からの入力光100をFOV領域又はタイルの中へ偏向するべく電気的切り換え可能グレーティングSBGの積層1を使用するという原理に基づく。一実施例において、各SBGは本質的に平面グレーティングビーム偏光器である。これは、入射TIR光を、固有のFOVタイルを形成する出力光に偏向する。SBG要素10A〜10Dが第1行の4つのFOVタイルを与え、要素11A〜11Dが第2行の4つのFOVタイルを与え、及び、要素12A〜12Dが第3行の4つのFOVタイルを与える。有利には、画像光はコリメートされ、例えば光導波路又は基板導波光学機器によってSBG積層に送達される。SBGを包含するべく使用される基板は、光導波路基板を与える。図2は、4つの別個の層に構成された4つのSBG10A〜10Dを使用してどのようにして水平方向視野角を生成できるのかを示す。一つの入力SBGが、画像生成器からの入力画像光をTIR経路内に向けることを可能とする。入力画像生成器は、レーザモジュール、マイクロディスプレイ、並びにコリメーション及びビーム拡張のための光学機器を含む。出力SBGは、FOV空間内の画像連続性を与えるべく水平方向に千鳥状とされる。図2は、一行のFOVタイル10A〜10Dに対応するSBGグループ3のための一平面内の限定的光線を示す。限定的光線101A〜101D、及び法線102、103に対する最大角範囲θ1が示される。光線は射出瞳104を画定する。
The tiling disclosed in this earlier application overcomes the twin defects of the standard wave guide architecture (ie limited viewing angle and limited pixel resolution) while maintaining vertical and horizontal over large viewing angles. There is a limit when it is necessary to tile in the direction. For a monochrome display with a small FOV and an extension in only one direction, tiling can be accomplished by simply stacking the grating planes. However, if the viewing angle is extended in both directions and color is added, the number of layers required by this approach quickly becomes impractical. For example, considering FIG. 1, a schematic diagram of a beam deflection system providing a display is shown. The display is based on the principle of using a
一実施例において、各サブ視野角が、SBGの回折効率及び角度帯域によって限定される。SBGグレーティングデバイスは、空気中で近似的に角度帯域±5°(材料特性、屈折率変調ビーム幾何形状及び厚さの影響を受ける)を有する。一実施例において、実際には、薄いSBGを使用することにより大きな角を達成することができる。一実施例において、SBGは厚さが、約4μm以下、例えば約3.5μm以下、3μm、2.5μm、2μm、1.5μm、1μm、0.5μm未満である。薄いSBGに起因する増加した帯域によって、低いピーク回折効率が得られる。一実施例において、屈折率変調を増加させることが望ましい。 In one embodiment, each sub-viewing angle is limited by the diffraction efficiency and angular band of the SBG. SBG grating devices have approximately an angular band ± 5 ° (influence of material properties, refractive index modulated beam geometry and thickness) in air. In one embodiment, in practice, large corners can be achieved by using thin SBGs. In one embodiment, the SBG has a thickness of about 4 μm or less, such as about 3.5 μm or less, 3 μm, 2.5 μm, 2 μm, 1.5 μm, 1 μm, less than 0.5 μm. Increased bandwidth due to thin SBGs results in low peak diffraction efficiency. In one embodiment, it is desirable to increase the refractive index modulation.
一実施例において、上のSBG10Aは視野角−20°から−10°を与え、次のSBG10Bは視野角−10°から0°を与え、次のSBG10Cは視野角0°から10°を与え、及び、下のSBG10Dは視野角10°から20°を与える。一つが右20°を与える。各出力FOVが、水平方向範囲10度、かつ、入力コリメーション光学機器及び導波路制限によって設定される垂直方向範囲、典型的には10度のFOVタイルを与える。SBG要素が連続して迅速に表示される(SBGが、例えば35マイクロ秒もの小さな切り換え速度を有する)場合、眼は別個の光出力を統合し、水平方向視野角40°×垂直方向視野角10度が知覚される。新たな出力SBGがアクティブにされるたびに、2によって一般に示される入力画像生成器が新たなデジタル画像によって更新される。一実施例において、入力画像生成器は、近似的に水平方向1000ピクセル×垂直方向800ピクセル解像度の画像を与える。したがって、完全な知覚画像は、4000×800ピクセル解像度を有する。タイルは、SBG層からの重なる光線によって画定される射出瞳を通るFOV空間において当接する。上記原理に基づくHMDは、本出願人による国際出願日2010年4月26日、名称「COMPACT HOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY」の(及び本出願人の包袋番号SBG073PCTによっても参照される)国際出願第GB2010/000835号明細書に開示されている。これは、その全体が参照としてここに組み入れられる。
In one example, the
図1に示される積層アプローチは、相対的に小さなFOVにとって適している。一実施例において、ほぼ水平方向60度×垂直方向10度の視野角が実現可能である。視野角が増加すると、必要とされるSBG層の数が非実用的となる。すなわち、6つの層が、ディスプレイの性能が散乱、吸収及び他の光学的損失によって妥協される前において、現在の実用限界となる。13、14によって概略的に示される青及び緑のための追加層が加えられる場合、タイル数は3倍増加する。 The stacking approach shown in FIG. 1 is suitable for relatively small FOVs. In one embodiment, a viewing angle of approximately 60 degrees in the horizontal direction and 10 degrees in the vertical direction can be achieved. As the viewing angle increases, the number of SBG layers required becomes impractical. That is, six layers are the current practical limit before display performance is compromised by scattering, absorption and other optical losses. If additional layers for blue and green, indicated schematically by 13, 14, are added, the number of tiles increases by a factor of three.
別個のRGBのSBGを使用することを回避する一つの方法は、多重化SBGを使用することである。この場合、照明は、R及びB/G照明として光導波路の対向端から与えられ、色彩範囲がある程度譲歩される。しかしながら、多重化グレーティングは、製造の複雑性及びクロストークの問題を引き起こす。 One way to avoid using separate RGB SBGs is to use multiplexed SBGs. In this case, the illumination is given as R and B / G illumination from the opposite end of the optical waveguide, giving some concession to the color range. However, multiplexed gratings cause manufacturing complexity and crosstalk problems.
ここに記載される実施例の一つの利点は、極めて大きな数のSBG層の必要性が最小限となることにある。一実施例が与えるのは、図3に示されるように、SBGをインターレースすることによって積層を圧縮することである。これは、図1〜2に例示されるようにグレーティングを単に積層することとは対照的である。上述の単なる積層スキーム(差し込み)を参照してわかるのは、通常であれば一つのカラーチャネルを生成するべく4つのホログラフィック平面の積層が必要となる光学的プロセスが、交互配置されたグレーティングの単数層によって遂行できるということである。なお、図1〜3において、ホログラムのシェーディングパターンは、4つの異なるタイプを区別することのみを目的としており、グレーティングの幾何形状を提示するものではない。 One advantage of the embodiments described herein is that the need for a very large number of SBG layers is minimized. One embodiment provides for compressing the stack by interlacing SBGs, as shown in FIG. This is in contrast to simply laminating a grating as illustrated in FIGS. It can be seen with reference to the simple stacking scheme (inset) described above that an optical process that would normally require stacking of four holographic planes to produce a single color channel is used for interleaved gratings. It can be performed by a single layer. 1 to 3, the shading pattern of the hologram is only intended to distinguish four different types, and does not present the geometric shape of the grating.
まず、図3Aの概略側面図を参照すると、選択的に切り換え可能なビーム偏向要素の多重グループを含む画像を表示する装置が与えられる。好ましい実施例において、ビーム偏向器は、第1回折状態及び第2の回折状態を有する複数のSBGである。第1の回折状態は高い回折効率を示し、第2の回折状態は低い回折効率を示す。 First, referring to the schematic side view of FIG. 3A, an apparatus for displaying an image including multiple groups of selectively switchable beam deflection elements is provided. In a preferred embodiment, the beam deflector is a plurality of SBGs having a first diffraction state and a second diffraction state. The first diffraction state shows high diffraction efficiency, and the second diffraction state shows low diffraction efficiency.
一実施例において、SBGは、電圧が適用された場合に回折を行い、かつ、他の場合すべてで光学的受動のままとなる逆モードで動作する。SBGは、薄い基板層(100ミクロンもの薄さ)によって分離された連続SBG薄層として実装される。一実施例において、基板はプラスチックを含む。一実施例において、基板は、(ITOの代わりに)透過型導電コーティングを有するプラスチック基板を含む。 In one embodiment, the SBG operates in a reverse mode that diffracts when a voltage is applied and remains optically passive in all other cases. SBGs are implemented as continuous thin SBG layers separated by a thin substrate layer (as thin as 100 microns). In one embodiment, the substrate comprises plastic. In one embodiment, the substrate comprises a plastic substrate having a transmissive conductive coating (instead of ITO).
簡便のため、番号15〜18で示された4グループのSBG要素を例示する。各グループは、記号A〜Dで標識された4つの要素を含む。SBG要素のパターンの繰り返しが点線で示される。ビーム偏向要素のグループ数又はグループごとの要素数は制限されない。要素は、透明基板14A、14Bによって挟まれた薄いHPDLCグレーティング薄層15の形態をとる。基板の対向面に透明電極が適用され、当該電極の少なくとも一つが、SBG要素と重なるパターンとされる。
For convenience, four groups of SBG elements indicated by numbers 15 to 18 are illustrated. Each group includes four elements labeled with symbols AD. The repetition of the SBG element pattern is indicated by a dotted line. The number of groups of beam deflection elements or the number of elements per group is not limited. The element takes the form of a thin HPDLC grating thin layer 15 sandwiched between
後に詳細に述べる入力画像生成器が、一般に100で示されるコリメートされた画像光を与える。各グループのビーム偏向要素が画像光を回折して一セットのFOVタイルを与える多重光線にする。所与のタイルに対応する複数の要素が固有のグレーティング処方を有する。光線は、幾何学的な光学原理に従って射出瞳を画定する。図面の投影におけるグループ15及び18からの限定的光線が107、108で示される。各要素は、回折効率角度帯域±θを有する。図3と図2とを比較すれば明らかなことだが、図3の実施例は、図2に示されたSBG層を単数のSBG薄層内に散在させることと等価である。一実施例において、第1の多重ビーム偏向要素及び第2の多重ビーム偏向要素は、図3Bに示されるように均一に散在される。一実施例において、第1の多重ビーム偏向要素及び第2の多重ビーム偏向要素は、図3Cに示されるようにランダムに散在される。 An input image generator, described in detail below, provides collimated image light, generally designated 100. Each group of beam deflection elements diffracts the image light into multiple rays that provide a set of FOV tiles. Multiple elements corresponding to a given tile have a unique grating prescription. The rays define the exit pupil according to geometric optical principles. Limited rays from groups 15 and 18 in the projection of the drawing are shown at 107,108. Each element has a diffraction efficiency angular band ± θ. As is apparent from a comparison between FIG. 3 and FIG. 2, the embodiment of FIG. 3 is equivalent to the SBG layer shown in FIG. 2 being interspersed within a single thin SBG layer. In one embodiment, the first multiple beam deflection element and the second multiple beam deflection element are evenly distributed as shown in FIG. 3B. In one embodiment, the first multiple beam deflection elements and the second multiple beam deflection elements are randomly scattered as shown in FIG. 3C.
図3はHMDの原理を示す。上記原理に基づくディスプレイは、2つのサブシステムを含む。すなわち、カラー導波路(ここではデジレンズ(DigiLens(登録商標))とも称する)、及び、当該カラー導波路内に入力画像を送り込むべく構成されたデバイスである(ここでは画像送り込みノードとも称する)。 FIG. 3 shows the principle of HMD. A display based on the above principle includes two subsystems. That is, a color waveguide (also referred to herein as a DigiLens (registered trademark)) and a device configured to send an input image into the color waveguide (also referred to herein as an image feed node).
一実施例におけるディスプレイの基本原理を、図4〜7の正面図を使用して詳細に例示する。カラーディスプレイにおいて、デジレンズは、それぞれが赤、緑又は青のカラー結像チャネルを与える3つの個別RGB導波路の一積層を含む。一実施例において、各導波路はさらに、2つのホログラフィック層(二重層と称する)に分割される。一実施例において、特に記載しない限り、当該説明は二重層を仮定する。したがって、図4においてデジレンズ2は、層21、22をさらに含む二重層を含む。装置はさらに、IIN(Input Image Node(入力画像ノード)3、デジレンズ駆動電子機器4、及びIINからの光をデジレンズ内に入れるための結合器を含む。IINとデジレンズ駆動電子機器とは通信リンク103によって接続される。各SBG層は複数アレイのSBGを包含する。これらは、複数セットのサブアレイを含む。いずれの所与のサブアレイも、その部材は、所定セットの光学的処方の一つを有する。各処方は、一の固有のFOVタイルに対応する。SBG処方の数は、FOVタイルの数に等しい。いくつかの実施例において、処方は、IINからの入射TIR入力光を偏向させてFOVタイルを画定する出力光にするのに必要なブラッググレーティングの幾何形状を画定する。簡便のため、番号200〜202により示される3つのSBG要素サブアレイが例示される。各サブアレイの3つの要素は記号A〜Cによって標識されて例示される。駆動電子機器は、電圧出力103A〜103Cを与える。SBG要素300A〜300Cへの接続104A〜104Cが示される。アレイ要素の分布は、FOVタイルに依存する。例えば、FOVの中心領域近くにあるFOVタイルは、対応SBG要素がデジレンズの中心近くに分布することを必要とする。アレイ要素の空間的な構成は、後に詳細に説明する。図5は、IINからの入力コリメート画像光200がデジレンズに結合されて、導波路2への入力においてコリメート画像光201を与えることを示す。SBGサブアレイ200〜202に対する導波路からの典型的なコリメート出力ビームは、一般に、202A〜202Cで示される。
The basic principle of the display in one embodiment is illustrated in detail using the front views of FIGS. In a color display, the DigiLens includes a stack of three individual RGB waveguides that each provide a red, green or blue color imaging channel. In one embodiment, each waveguide is further divided into two holographic layers (referred to as bilayers). In one embodiment, unless otherwise stated, the description assumes a double layer. Therefore, in FIG. 4, the
一実施例において、SBGは、電圧が適用された場合に回折を行い、かつ、他の場合すべてで光学的受動のままとなる逆モードで動作する。 In one embodiment, the SBG operates in a reverse mode that diffracts when a voltage is applied and remains optically passive in all other cases.
SBGは、図示のとおり薄い基板層(100ミクロンもの薄さ)によって分離された連続SBG薄層として実装される。これは、モノリシックホログラフィック光学機器による狭帯域レーザ照明の資産を十分に利用する平面モノリシック設計である。SBGをモノクロ層として構成する動機は、ホログラフィック光学機器及びSBGビームスプリッタを使用して、フラット、ソリッドステートかつ精密整合のディスプレイを与え得るようにすることにある。これにより、かさばる屈折型光学機器の必要性が最小限となる。一実施例において、ディスプレイの解像度は、マイクロディスプレイの解像度によってのみ制限される。当該設計は、各層に多くのタイルをインターレースすること及び/又は新たな層を追加することによって、大きなFOVまでのスケールにすることができる。同様に、瞳、アイレリーフ及びFOVアスペクト比も、当該アプリケーションに適するように合わせることができる。 The SBG is implemented as a continuous SBG thin layer separated by a thin substrate layer (as thin as 100 microns) as shown. This is a planar monolithic design that takes full advantage of the assets of narrowband laser illumination with monolithic holographic optics. The motivation for configuring the SBG as a monochrome layer is to use holographic optics and an SBG beam splitter to provide a flat, solid state and precision aligned display. This minimizes the need for bulky refractive optics. In one embodiment, the display resolution is limited only by the microdisplay resolution. The design can be scaled up to a large FOV by interlacing many tiles in each layer and / or adding new layers. Similarly, pupil, eye relief, and FOV aspect ratio can be tailored to suit the application.
図6は、一実施例におけるIINを詳細に示す。IINの役割は、デジタル画像を形成し、コリメートし、及びデジレンズに送り込むことにある。2つの個別光学サブシステムが使用される。すなわち、一つはマイクロディスプレイを照明し、一つは当該画像をコリメートする。IINは、画像プロセッサ3A、入力画像生成器3B及び垂直方向ビーム拡張器(VBE)3Cを含む。画像プロセッサは、通信リンク150を介して入力画像生成器に画像データを与える。画像プロセッサはまた、デジレンズ駆動電子機器との電子的リンクによって、デジレンズ内のSBG要素の切り換えも制御する。以下の説明で詳細に記載される入力画像生成器は、レーザモジュール及びマイクロディスプレイを含む。入力生成器からのコリメート画像光203は、ビーム拡張器3Cに結合される。ビーム拡張器3C自体は結合器5に光接続される。図7は、IINの動作を、入力画像生成器及びVBEに集中してさらに詳細に例示する。図面に与えられるXYZ直交座標軸を参照する。正面図はYX平面に対応し、Y軸は、当該ディスプレイを見る者が知覚する垂直方向を称する。
FIG. 6 shows in detail the IIN in one embodiment. The role of the IIN is to form a digital image, collimate it, and send it to the DigiLens. Two separate optical subsystems are used. One illuminates the microdisplay and one collimates the image. The IIN includes an
VBE(垂直方向ビーム拡張器)は、基板61A、61Bによって挟まれたSBG60を含む。画像生成器からの画像光が、基板が形成する導波路内の、204で示されるTIR(内部全反射)を受ける。VBEは、損失が多い設計である。換言すれば、グレーティングの回折効率は、画像生成器に最も近い端部で低く、かつ、最も遠い末端で最高となる。一つの効果は、VBEが、204A、204Bのような光を結合器5に向けてその全長沿いに結合させ、デジレンズ導波路の高さにマッチさせるべく垂直方向ビーム拡張(Y方向の)を与えることにある。画像光は、グレーティング結合器31AによってVBE内に結合される。差し込み図62を参照すると、ホログラフィック対物レンズ31及びホログラフィック対物レンズ32がさらに存在する。双方とも光導波路デバイス33に光接続される。マイクロディスプレイ207からの画像光が、ホログラフィック対物レンズを介して光バイド(bide)に入るとTIR経路208に従い、最後に光導波路から出て、ホログラフィック対物レンズ32によって出力光203としてVBE内に向けられる。一実施例において、光導波路33は、各端が傾斜した表面を含む。差し込み図63は、レーザモジュール及びマイクロディスプレイの構成を示す。マイクロディスプレイ37の照明が、ダイオードレーザ34、導波路及びSBGビームスプリッタを使用して行われる。SBGビームスプリッタは、導波路を形成する透明基板35A、35B間に挟まれた薄層36として形成される。傾斜SBGグレーティングが、薄層35Aのマイクロディスプレイと重なる部分に記録される。レーザモジュールからのコリメートされたP偏光210が、結合器36を介して導波路内に入る。結合器はプリズムである。いくつかの実施例において、結合器はグレーティングデバイスである。結合された光は、TIR経路211に従ってSBGビームスプリッタに至る。ここで、SBGの特性に応じてP偏光がマイクロディスプレイに向かって回折される。光が反射されてS偏光となり、実質的な損失又は逸脱なしにSBGビームスプリッタを通り抜けてコリメート画像光207として導波路から出現する。
The VBE (vertical beam expander) includes an
光学設計の当業者に明らかなことだが、ここに記載の原理によるIINを与えるには、多くの代替的な光学設計及びコンポーネントを使用することができる。 As will be apparent to those skilled in the art of optical design, many alternative optical designs and components can be used to provide an IIN according to the principles described herein.
例えば、反射型マイクロディスプレイは透過型デバイスに交換することができる。代替的に、放射ディスプレイも使用できる。これも明らかなことだが、所定のアプリケーションにおいて画像アスペクト比及び照度均一性を制御するべく、アナモルフィックレンズ及び光シェーピング拡散要素のようなコンポーネントを使用することができる。装置はさらにスペックル除去器を含む。IINは、回折光デバイスを含むか又は回折光デバイスである。IINによって行われるプロセスは、前から存在する技術において使用されるように、いくつかの屈折レンズ、偏光ビームスプリッタキューブ、及び様々なコンポーネントを整合させかつ組み付けるための精密なハウジングを使用する。ピース部品が高価なだけでなく、手作業も過度となる。加えて、組付体全体について、耐久性を高めることが困難であり、結局重くかつかさばることとなる。小型化されたコンポーネントは、サイズ及び重量を低減することができるが、コンポーネントコスト及び組み付け時間を激しく増加させる。 For example, a reflective microdisplay can be replaced with a transmissive device. Alternatively, emissive displays can be used. It is also clear that components such as anamorphic lenses and light shaping diffusing elements can be used to control image aspect ratio and illumination uniformity in a given application. The apparatus further includes a speckle remover. The IIN includes or is a diffractive light device. The process performed by IIN uses several refractive lenses, polarizing beam splitter cubes, and a precision housing to align and assemble various components, as used in the pre-existing technology. Not only are piece parts expensive, but also manual work becomes excessive. In addition, it is difficult to increase the durability of the entire assembly, and eventually it is heavy and bulky. Miniaturized components can reduce size and weight, but significantly increase component costs and assembly time.
なおも明らかなことであるが、IINの説明は、単なる一つのモノクロマイクロディスプレイについて言及してきた。カラーディスプレイにおいて、IIN光学コンポーネントは各色に対して複製される必要がある。当該光学設計は基板導波路光学機器及び回折光学要素を使用するので、一実施例における赤、緑及び青チャネルの組み合わせは、極めてコンパクトなフォームファクタ内で遂行することができる。当該フォームファクタは、マイクロディスプレイ及びレーザモジュールのサイズ並びに全体的なシステム設計要件によってのみ制限される。 It is still clear that the IIN description has referred to just a single monochrome microdisplay. In a color display, the IIN optical component needs to be duplicated for each color. Since the optical design uses substrate waveguide optics and diffractive optical elements, the combination of red, green and blue channels in one embodiment can be accomplished in a very compact form factor. The form factor is limited only by the size of the microdisplay and laser module and the overall system design requirements.
デジレンズにおけるSBG要素のインターレースは、多くの異なる方法で行うことができる。例えば、図1の実施例におけるインターレースされたグレーティングは、ベネシャンブラインドの態様に構成することができる(本発明者による仮特許出願第61/627,202号明細書に開示されている)。しかしながら、かかる幾何形状と関連づけられるMTF(変調伝達関数)は、交互配置の周期的性質に起因する空間周波数において複数のノッチを有する。一実施例において、複数グレーティングの複合テッセレーションを導入すると、この欠陥を修正することができる。ここでの少なくともいくつかの実施例における「テッセレーション」は、重畳なしかつギャップなしの幾何形状繰り返しを使用した2次元表面パターンを作るプロセスとして画定される。しかしながら、テッセレーションパターンは、図4〜7に例示されるタイプの菱形形状テッセレーションパターンに限られないことに留意すべきである。わかることだが、正方形、矩形、三角形に基づく複数パターンを使用することができる。図面では規則的なパターンが示唆されているが、所定の場合においては、ランダムに分布したパターンを有することが有利である。一実施例では、所与のパターンにおいて異なるサイズ及び幾何形状の要素を使用することもできる。多くの可能なスキームが存在する。要素は、垂直方向又は水平方向に偏向したアスペクト比を有する。一実施例において、広い水平方向アスペクト比が良好な水平方向解像度をもたらす。以下に示されるように、1.38mm×0.8mmの菱形が許容可能な解像度を与える。水平方向解像度が垂直方向よりも良好となることに利益があるとは期待されないので、菱形よりもむしろ(側面を向いた)1mm正方形の方がまさに適度かもしれない。単なる例示を目的として、説明は、菱形形状又は正方形形状要素に基づくテッセレーション化タイル張りについて言及する。テッセレーション化パターンの一実施例においては、以下に述べるように、電極アドレス指定回路を許容する小さなギャップが存在する。SBG要素パターンの例を図8〜10に例示する。図8Aは、多重の垂直及び水平方向寸法を有する矩形形状304A〜304Fを含むタイル張りパターン304を示す。図8Bは、要素305A〜305Jを含むペンローズタイル張りとして知られるタイル張りパターン305を示す。図8Cは、要素306A〜306Cを含む正六角形に基づくタイル張りパターン306を示す。図8Dは、要素307A〜306Dを含む正方形に基づくタイル張りパターン306を示す。図9Aは、要素308A〜308Dを含む菱形に基づくタイル張りパターン308を示す。図9Bは、要素309A〜309Dを含む二等辺三角形に基づくタイル張りパターン309を示す。図10Aは、要素310A〜310Cを含む水平方向に細長い六角形に基づくタイル張りパターン310を示す。図10Bは、要素311A〜311Dを含む水平方向に偏向したアスペクト比を有する矩形に基づくタイル張りパターン311を示す。図10Cは、矩形の水平方向に細長い菱形要素312A〜312Dに基づくタイル張りパターン312を示す。
Interlacing of SBG elements in a DigiLens can be done in many different ways. For example, the interlaced grating in the embodiment of FIG. 1 can be configured in the manner of a Venetian blind (disclosed in provisional patent application 61 / 627,202 by the inventor). However, the MTF (Modulation Transfer Function) associated with such a geometry has multiple notches at spatial frequencies due to the periodic nature of the interleaving. In one embodiment, the introduction of multiple grating composite tessellation can correct this defect. “Tessellation” in at least some embodiments herein is defined as the process of creating a two-dimensional surface pattern using geometric overlap without overlap and without gaps. However, it should be noted that the tessellation pattern is not limited to the diamond-shaped tessellation pattern of the type illustrated in FIGS. As can be appreciated, multiple patterns based on squares, rectangles and triangles can be used. Although a regular pattern is suggested in the drawings, it is advantageous to have a randomly distributed pattern in certain cases. In one embodiment, elements of different sizes and geometries can be used in a given pattern. There are many possible schemes. The element has an aspect ratio that is vertically or horizontally deflected. In one embodiment, a wide horizontal aspect ratio provides good horizontal resolution. As shown below, a 1.38 mm × 0.8 mm diamond gives acceptable resolution. A 1 mm square (facing the side) rather than a diamond may be more reasonable, as it is not expected to benefit from better horizontal resolution than vertical. For purposes of illustration only, the description refers to tessellated tiling based on rhombus-shaped or square-shaped elements. In one embodiment of the tessellation pattern, there is a small gap that allows electrode addressing circuitry, as described below. Examples of SBG element patterns are illustrated in FIGS. FIG. 8A shows a
一実施例において、SBGアレイを製造するのに使用される技術は、50ミクロン(500dpi)もの小ささの特徴を規則的に生成するので、上述の態様での特徴をインターレースすることは問題とならない。一つの重要な条件は、同じ処方のグレーティング間の距離を、明るい条件(明るい日光での3mmを仮定)のもとでの眼の瞳のサイズと比較して小さくしなければならないことである。一実施例において、この条件が満たされる場合、帯状のむらは観測されない。重要なことは、眼がアイボックス内を動き回る一実施例において、眼の瞳を超えて動く帯域から失われた光が、瞳の中へ動くもう一つの帯域から得られた光によってオフセットされることにある。この効果から予想される光度変動は、導波路にわたる照明が均一であると仮定すれば、近似的に平均輝度レベルの±1%である。帯状のむらの概念は、SBG要素が複数のコラムを含む実施例において最も容易に理解することができる。しかしながら、基本原理は、ここに記載されるいずれの実施例とともに使用されるいずれのタイプのパターンにも当てはまる。 In one embodiment, the technique used to fabricate the SBG array regularly generates features as small as 50 microns (500 dpi), so interlacing features in the manner described above is not a problem. . One important condition is that the distance between gratings of the same prescription must be small compared to the size of the eye pupil under bright conditions (assuming 3 mm in bright sunlight). In one embodiment, if this condition is met, no banding is observed. Importantly, in one embodiment where the eye moves around in the eyebox, the light lost from the band moving beyond the pupil of the eye is offset by the light obtained from another band moving into the pupil There is. The intensity variation expected from this effect is approximately ± 1% of the average luminance level, assuming that the illumination across the waveguide is uniform. The concept of band-like unevenness can be most easily understood in embodiments where the SBG element includes multiple columns. However, the basic principles apply to any type of pattern used with any of the embodiments described herein.
いくつかの実施例において、画像光は、デジレンズの一端にのみ入る。デジレンズの各導波路は一般に、2つのSBG層を含む。図面及び明細書を考慮すれば明らかなことだが、かかる実施例において層は、一方が逆の同じ処方のSBGアレイを含む。画像送り込みノードは、2つの対称的部分に構成され、対向経路にある別個の画像光を2つのホログラフィック層に与える。かかる実施例は、コンポーネントの重複を必要とするので、実装が高価になる可能性が高い。 In some embodiments, the image light enters only one end of the DigiLens. Each waveguide of a DigiLens generally includes two SBG layers. As will be apparent in view of the drawings and specification, in such an embodiment the layers comprise SBG arrays of the same formulation, one reversed. The image feed node is configured in two symmetrical parts and provides separate image light in opposite paths to the two holographic layers. Such an embodiment requires duplication of components and is likely to be expensive to implement.
いくつかの実施例において、各デジレンズ二重層導波路は厚さ2.8mmである。SBG層は理論上、低屈折率の基板又は空気ギャップによって分離される。TIRビームを必要とする多くの実際的なアプリケーションにおける一実施例では、幾何形状は空気界面なしにサポートすることができない。ホログラムの厚さも誇張されていることにも留意する。一実施例において、グレーティングは、厚さ100〜200ミクロンの基板によって挟まれて厚さ3ミクロンである。基板の対向面に適用される透明電極の厚さは、ナノメートルで測定される。 In some embodiments, each DigiLens bilayer waveguide is 2.8 mm thick. The SBG layers are theoretically separated by a low refractive index substrate or air gap. In one embodiment in many practical applications that require a TIR beam, the geometry cannot be supported without an air interface. Note also that the thickness of the hologram is exaggerated. In one embodiment, the grating is 3 microns thick sandwiched between substrates that are 100-200 microns thick. The thickness of the transparent electrode applied to the opposing surface of the substrate is measured in nanometers.
図11は、一実施例における、2つの層20、21を含むデジレンズ導波路の概略的断面図である。層20は、透明基板20A、透明パターン電極層20B、20Fのような要素を包含するSBGアレイ20C、透明電極層20D及び第2の基板20Eを含む。層21は、透明基板21A、透明パターン電極層21B、21Fのような要素を包含するSBGアレイ21C、透明電極層21D及び第2の基板21Eを含む。一実施例において、基板20E及び21Aは組み合わされて単数層となる。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a DigiLens waveguide including two
図12A〜12Dは、1〜4で標識されたタイプのSBG要素を包含する領域内のテッセレーションパターンの複数の例を示す。眼の瞳311が重ねられている。図13〜14は、ディスプレイ射出瞳の一つの眼の瞳位置において図13に示されるように構成された一つの特定SBG要素タイプに対するMTFデータを示す。SBG要素は、313A〜313Iによって標識される。図14はMTF曲線を示す。この実施例では、上の曲線314Aが回折制限MTFであり、下の曲線が、収差を許容する推定SBGアレイMTFである。菱形形状は、一辺=0.8mmの三角形に基づくので長さ=1.38mmとなる。このアーキテクチャは、2つの層(1つの二重層)モノクロ設計、又はR、G、Bカラー設計の単数カラー層に適用可能である。3つの積層二重層は、複合的な性能を与える。射出瞳311は、この実施例において直径3mmである。
FIGS. 12A-12D show several examples of tessellation patterns in a region that includes SBG elements of the type labeled 1-4.
図13〜14に対応するデジレンズアーキテクチャは、2つのモノクロSBG層上に12のSGB要素をタイル張りする。図18を参照すると、図13に例示される第1の層は、水平方向(下側)のタイルすべてL1〜4及び水平方向(中央)のタイル(MID,1)、(MID,2)をタイル張りする。第2の層は、水平方向(中央)のタイル(MID,3)、(MID,4)及び水平方向(上側)のタイルすべてU1〜4をタイル張りする。 The DigiLens architecture corresponding to FIGS. 13-14 tiles twelve SGB elements on two monochrome SBG layers. Referring to FIG. 18, the first layer illustrated in FIG. 13 includes all horizontal (lower) tiles L1 to L4 and horizontal (center) tiles (MID, 1) and (MID, 2). Tiles. The second layer tiles all tiles U1 to U4 in the horizontal (center) tiles (MID, 3), (MID, 4) and the horizontal (upper) tiles.
図15は、水平方向に偏向されたアスペクト比の矩形SBGを使用したタイル張りの一例を示す。タイル張りパターン315は、番号315A〜315Eによっても標識される要素タイプ1〜5を含む。
FIG. 15 shows an example of tiling using a rectangular SBG with aspect ratio deflected in the horizontal direction.
図16は、一実施例において、デジレンズがどのようにして射出瞳内にFOVをタイル張りするのかを、モノクロ画像を形成する3つの連続ステージで例示する。各原色の画像の書き込みは同様のプロセスに従う。図16A〜16Cは、標識315A〜315Cによっても示される3つのタイプのSBG1〜3がアクティブにされるところを示す。いずれの場合も、眼の瞳311及び射出瞳316が重ねられている。矩形319によって示されるFOV空間における対応FOVタイル319A〜319Cが、図16D〜16Fに示される。切り換えプロセスの理解を簡単にするべく、わずかな数のSBG要素のみが例示される。なお、所与のタイプのSBG要素すべてが、ビームとグレーティングとの「損失が多い」結合に起因して、同時に光の結合をすべて解除することができる。換言すれば、個々の要素の回折効率が、導波路ビームから得られる光から一の割合の光を抽出するべく変調される。一実施例において、導波路ビームが相互作用する第1の要素が最も貧弱な結合効率を有する一方、ビーム経路の他の末端にある要素は最も強力な結合効率を有する。
FIG. 16 illustrates, in one embodiment, how the DigiLens tiles the FOV in the exit pupil with three successive stages forming a monochrome image. The writing of each primary color image follows a similar process. FIGS. 16A-16C show that three types of SBGs 1-3, also indicated by
所与タイプのSBGからの光によって充填される瞳面積はおおよそ固定されている。眼が左から右へ動くと、光が、最も左にあるSBG要素から失われる一方、右側のエッジにおいて得られる。この効果から生じる光度変動は、全要素にわたる照明が均一であると仮定すれば、近似的に2%(平均輝度レベルの±1%)である。 The pupil area filled with light from a given type of SBG is approximately fixed. As the eye moves from left to right, light is lost from the leftmost SBG element while being obtained at the right edge. The luminous intensity variation resulting from this effect is approximately 2% (± 1% of the average luminance level), assuming that the illumination across all elements is uniform.
いくつかの実施例において、SBG要素の周期性は、要素アパチャによる回折又は均質干渉効果に起因する好ましくないアーチファクトをもたらしかねない。後者の可能性は低いと考えられる。平面導波路構造内を伝播する光は、平面導波路構造が本来備える不均等な光経路長ゆえに、次のアパチャからの光と必ずしも同相になるとは限らないからである。したがって、各周期的なアパチャを出た光は、(レーザのコヒーレンス長が平面導波路構造に対して合理的に長いとしても)SBG要素すべてにわたって考慮された場合、インコヒーレントに結合すると期待される。好ましくないアーチファクトがSBG要素から生じる事象において、提案されるストラテジーの周期性は、当該要素をランダムに配列することを伴う。 In some embodiments, the periodicity of the SBG element can lead to undesirable artifacts due to diffraction due to element aperture or homogeneous interference effects. The possibility of the latter is considered low. This is because the light propagating in the planar waveguide structure is not necessarily in phase with the light from the next aperture due to the unequal optical path length inherent in the planar waveguide structure. Thus, the light exiting each periodic aperture is expected to couple incoherently when considered across all SBG elements (even if the laser coherence length is reasonably long for a planar waveguide structure). . In the event that undesirable artifacts arise from SBG elements, the periodicity of the proposed strategy involves randomly arranging the elements.
デジレンズのアパチャ全体にわたる複数箇所が、25mmのアイレリーフゆえに漸次的に異なる態様で、角度情報を10mmアイボックスに与える。ディスプレイの左に向かう箇所は、FOVの右からの角度コンテンツを与えず、逆もまた同様である。光学効率を最大にするべく、一実施例におけるデジレンズは、処方されたアイレリーフにおいて所望のアイボックスを充填する充填率に最適化される。図10A〜10Dは、一実施例においてアイボックスに寄与するSBGアパチャの部分を示す。 Multiple locations throughout the aperture of the DigiLens provide angle information to the 10 mm eyebox in a progressively different manner due to 25 mm eye relief. The point towards the left of the display does not give the angle content from the right of the FOV, and vice versa. In order to maximize optical efficiency, the DigiLens in one embodiment is optimized for the fill rate that fills the desired eyebox in the prescribed eye relief. 10A-10D show the portion of the SBG aperture that contributes to the eyebox in one embodiment.
デジレンズの表面全体にわたる位置すべてが、アイボックスにおける瞳充填率に寄与するわけではない。25mm(アイレリーフ)において10mmの瞳を充填するには、光取り出しSBGの最小サイズは、ちょうど幅30mm未満である。しかしながら、デジレンズの中心における極めて小さな領域のみが、すべての角度、例えば−15°±5°、−5°±5°、+5°±5°及び+15°±5°におけるコンテンツを与える。これらの角度帯域は、(上側(+10°)、中央(+0°)及び下側(−10°)の視野角それぞれに対して見出される)光取り出しSBGコラム1、2、3及び4に対応する。
Not all positions across the surface of the DigiLens contribute to the pupil filling factor in the eyebox. To fill a 10 mm pupil at 25 mm (eye relief), the minimum size of the light extraction SBG is just less than 30 mm wide. However, only a very small area in the center of the DigiLens gives content at all angles, for example -15 ° ± 5 °, -5 ° ± 5 °, + 5 ° ± 5 ° and + 15 ° ± 5 °. These angular bands correspond to the light extraction SBG
図17は、図18の垂直方向3つ×水平方向4つのFOVタイル張りパターンに対するSBGタイルタイプの分布を示す。この場合の図面に示されるように、12のSBG処方すべてがFOVの中心に必要とされる一方、必要とされる数は、FOVの水平方向限界においてちょうど一つとなる。 FIG. 17 shows the distribution of SBG tile types for the FOV tiled pattern of 3 vertical directions × 4 horizontal directions in FIG. As shown in the drawing in this case, all twelve SBG recipes are required in the center of the FOV, while the number required is exactly one at the horizontal limit of the FOV.
図18は、52°×30°FOVにタイル張りするべく(各SBG処方が13°×10°を与えるものと仮定)使用される例示的なFOVタイルパターンを示す。SBG処方の合計12の異なるタイプは、垂直方向タイル張りに対して「UP」、「MIDDLE」及び「DOWN」要素を並びに垂直方向タイル張りSBGタイル(1〜4で標識)のそれぞれに対して4つの水平方向タイル張り処方を含むように与えられる必要がある。各タイプのSBGは、一を超えるSBG要素によって表される。したがって、[UP,1]においてFOVタイルを見るには、この実施例では各コラムグループ「UP」の各要素「1」を連続的にアクティブにする必要がある。 FIG. 18 shows an exemplary FOV tile pattern used to tile to 52 ° × 30 ° FOV (assuming each SBG prescription gives 13 ° × 10 °). A total of 12 different types of SBG prescriptions include “UP”, “MIDDLE” and “DOWN” elements for vertical tiles and 4 for each of the vertical tiled SBG tiles (labeled 1-4). Need to be given to include two horizontal tiling recipes. Each type of SBG is represented by more than one SBG element. Therefore, in order to view the FOV tile in [UP, 1], in this embodiment, it is necessary to continuously activate each element “1” of each column group “UP”.
図19〜23は、図17〜18において画定された各タイル張り領域に対応するSBGパターンを例示する。いずれの場合においても、オンSBGタイプに対する単数の層パターン及び2つの重畳パターンが例示される。この実施例においては、正方形要素が仮定されている。図19は、領域1及び7(3タイルタイプ)に対応するパターンを示す。2つの層が326、327によって示される。各層は、タイプ1要素326A、327A及び(他のタイプの要素が占有するための)空間326B、327Bを含む。この場合、一つの層がアパチャ充填率33%を達成し、かつ、一つの二重層がアパチャ充填率66%を達成する。図20は、領域2及び6(6タイルタイプ)に対応するパターンを示す。2つの層が328、329によって示される。各層は、タイプ1要素328A、329A及び空間328B、329Bを含む。この場合、一つの層がアパチャ充填率16.7%を達成し、一つの二重層がアパチャ充填率33%を達成する。図21は、領域3及び5(9タイルタイプ)に対応するパターンを示す。2つの層が330、331によって示される。各層は、タイプ1要素330A、331A及び空間330B、331Bを含む。この場合、一つの層がアパチャ充填率11.1%を達成し、一つの二重層がアパチャ充填率22.2%を達成する。最後に、図22は、領域4(12タイルタイプ)に対応するパターンを示す。2つの層は332、333によって示され、各層は、タイプ1要素332A、333A及び空間332B、333Bを含む。この場合、一つの層がアパチャ充填率8.33%を達成し、一つの二重層がアパチャ充填率16.7%を達成する。
19-23 illustrate SBG patterns corresponding to each tiled area defined in FIGS. 17-18. In any case, a single layer pattern and two overlapping patterns for the on-SBG type are illustrated. In this embodiment, a square element is assumed. FIG. 19 shows patterns corresponding to
得られた複合パターン340が図23に示される。3層導波路341における単数SBGタイプのカバー率の一例が図24に示される。
The resulting
図25〜26は、一実施例における2層導波路の各層に対するSBGパターンを示す。 FIGS. 25-26 show SBG patterns for each layer of a two-layer waveguide in one embodiment.
人間の視力限界の典型的な推定値は、約1arc分/ライン対=60cyc/度であり、これは一般的に許容される性能限界であって3.4cyc/mrと同等である。これは、眼の瞳が直径3mmに収縮される輝度条件下での標準視力によって達成することができる。眼は、制限を受けた光受容体である。中心窩における錐体空間は、60cyc/度と同等の2.5μmもの小ささであり得る。大きな瞳アパチャでは、眼の性能は当該眼の収差によって著しく劣化する。約3mmでは、眼の性能は回折限界に近くなる。f/5.6の眼(f=17mmである3mmの瞳)に対する532nmでの回折限界カットオフは、網膜限界よりも著しく高い約320lp/mであることに留意する。したがって眼は、この実施例において、密度制限を受けた光受容体である。これを考慮すると、眼の瞳、又は眼の瞳を制限するディスプレイが0.75mm(1.4cyc/mrのカットオフと同等)よりも大きい場合、網膜におけるぼやけスポットサイズには影響がない。これによって、ディスプレイに対する最小アパチャ要件が確立される。4H×3Vタイルを有する12μmピッチのLCoSマイクロディスプレイは、各タイルが640H×480Vピクセルを有するが、52度H×30度Vを超える2560H×1440Vピクセルをもたらすことができる。マイクロディスプレイから網膜へのディスプレイ投影拡大倍率は、近似的に2倍となる。したがって、眼におけるマイクロディスプレイピクセルの角度サイズは、網膜での表示ナイキスト周波数が83cyc/mm(1.4cyc/mr)であれば、6.0μmとなる。画像シャープネスは、1/2ナイキスト限界(すなわち、網膜での画質を示す以下のプロットにおいて約40cyc/mm)においてコントラストが最大となる場合のシャープさと評価できる。 A typical estimate of the human vision limit is about 1 arc min / line pair = 60 cyc / degree, which is a generally acceptable performance limit, equivalent to 3.4 cyc / mr. This can be achieved by standard vision under luminance conditions where the pupil of the eye is contracted to 3 mm in diameter. The eye is a restricted photoreceptor. The cone space in the fovea can be as small as 2.5 μm, equivalent to 60 cyc / degree. With large pupil apertures, eye performance is significantly degraded by aberrations of the eye. At about 3 mm, the eye performance approaches the diffraction limit. Note that the diffraction limited cutoff at 532 nm for an f / 5.6 eye (3 mm pupil where f = 17 mm) is about 320 lp / m, significantly higher than the retinal limit. The eye is therefore a density-restricted photoreceptor in this example. Considering this, if the eye pupil or the display that restricts the eye pupil is larger than 0.75 mm (equivalent to a 1.4 cyc / mr cut-off), the blur spot size in the retina is not affected. This establishes a minimum aperture requirement for the display. A 12 μm pitch LCoS microdisplay with 4H × 3V tiles can yield 2560H × 1440V pixels, with each tile having 640H × 480V pixels, but over 52 degrees H × 30 degrees V. The display projection magnification from the micro display to the retina is approximately twice. Therefore, the angular size of the micro display pixel in the eye is 6.0 μm when the display Nyquist frequency in the retina is 83 cyc / mm (1.4 cyc / mr). Image sharpness can be evaluated as sharpness when the contrast is maximum at the 1/2 Nyquist limit (that is, about 40 cyc / mm in the following plot showing the image quality at the retina).
カラー導波路SBG層の周期的構造が回折グレーティングとして作用する懸念について取り組みがなされている。高次回折、導波路内のゼロ次ビーム、及びSBG要素のアパチャのような、カラー導波路内の潜在的な回折アーチファクト源の多くは最小とされ(又は除去さえされ)、精密に調べるとSBGは体積ブラッググレーティングであり、及び、一実施例においては、焼けた(blazed)又は薄いグレーティングについて見られるように高次はサポートされない。高次の不在がゴースト画像を最小にする(又は除去さえする)。一実施例において、導波路光内では、(損失が多い導波路で)導波され続ける光は、タイルの出力アパチャを「見る」ことがない。したがって、導波路を通るビーム内の回折次数の増加は生じない。異なるSBG要素アパチャからの光出力は同相ではない(恐らくは固有の場合を別にして)。光経路は、視野角の関数として変化する。したがって、アパチャからの出力が位相はずれとなること及びそれゆえインコヒーレント結合となることを期待するのが合理的である。したがって、回折アーチファクトは予想されない。 Addressing the concern that the periodic structure of the color waveguide SBG layer acts as a diffraction grating. Many of the potential diffraction artifact sources in color waveguides, such as high-order diffraction, zero-order beams in the waveguide, and apertures in SBG elements, are minimized (or even eliminated), and when examined closely, SBG Is a volume Bragg grating, and in one embodiment, higher orders are not supported, as seen for blazed or thin gratings. The absence of higher order minimizes (or even removes) ghost images. In one embodiment, within the waveguide light, the light that continues to be guided (in the lossy waveguide) does not “see” the output aperture of the tile. Therefore, there is no increase in the diffraction order in the beam through the waveguide. The light output from different SBG element apertures is not in phase (possibly apart from the unique case). The light path varies as a function of viewing angle. Therefore, it is reasonable to expect the output from the aperture to be out of phase and hence incoherent. Therefore, diffraction artifacts are not expected.
周期的構造についての初期の懸念は、50μmのコラム幅に基づくものであった。新たなSBG特徴のサイズは今や、800μm〜1380μmの範囲である。グレーティング方程式から予測される回折角は著しく小さい。例えば、入力角52°の50μmの特徴に対し、回折角は1度(74ピクセルと同等)となる。入力角52°の1000μmの特徴に対し、回折角は0.05°(3.7ピクセル)まで低減する。この実施例において極めて最悪のケースでは、回折ゴーストが、例えば、暗い背景に対して極めて明るい対象という条件下で現れる場合、ニア対物レンズフレアのように現れ、オリジナル画像から十分に分離した二重画像としては現れない。 Early concerns about the periodic structure were based on a column width of 50 μm. The size of the new SBG feature is now in the range of 800 μm to 1380 μm. The diffraction angle predicted from the grating equation is extremely small. For example, for a 50 μm feature with an input angle of 52 °, the diffraction angle is 1 degree (equivalent to 74 pixels). For a 1000 μm feature with an input angle of 52 °, the diffraction angle is reduced to 0.05 ° (3.7 pixels). In the very worst case in this embodiment, a diffractive ghost appears as a near-objective flare, for example when it appears under the condition of a very bright object against a dark background, and is a double image that is well separated from the original image. As does not appear.
レーザスペックルを克服するべくスペックル除去器をIINに組み入れることもできるが、当該設計がスペックル除去性を本来備えていることが期待できる合理性が高い。出力SBGアパチャ全体にわたって位相の多様性が存在するはずである。偏光の多様性がさらにスペックル除去を補助し、それゆえ当該構造からの任意の回折アーチファクトに係る効果を最小にする。さらなる安全措置は、SBGアパチャに直線的なエッジを有することが必須ではないことに留意すれば、当該エッジが、任意のアーチファクトをランダムに配置するようなパターンとなる点にある。 Although a speckle remover can be incorporated into the IIN to overcome laser speckle, there is a high degree of rationality that the design can be expected to have speckle removal. There should be phase diversity across the output SBG aperture. Polarization diversity further aids in speckle removal and therefore minimizes the effects on any diffraction artifacts from the structure. A further safety measure is that it is not essential to have a straight edge in the SBG aperture, the edge being in a pattern that randomly places any artifact.
いくつかのファクタが設計レイアウトに影響を与える。瞳充填率を最大にするべく、テッセレーション限界を考慮に入れる必要がある。重要なことは、2層の単数二重層上の各パターンにつき3、6、9及び12タイルを有することで、直径3mmの投影された眼の瞳に対するディスプレイ射出瞳内のいずれの位置にも最大の瞳充填率条件を作る必要がある点である。2層のSBGパターン間のオフセットが、x又はyにおけるテッセレーションパターン設計に対して非整数オフセットを有する必要はない。一実施例において、xオフセットが実際には一領域の一側又はもう一つの側に1/2ピクセルをもたらし、その後当該エリア単独の1/2ピクセルに対するITOアドレス指定を必要とする。一実施例において、均一なアドレス指定ピッチを維持するにはこれを回避する方がよい。一実施例において、当該パターンのyオフセットも同様に、1/2ピクセルの垂直方向アドレス指定を必要とする。同様に、これも回避することが望ましい。カバー率を最大にするべくyに1/2ピクセルオフセットを有することは許容可能であるが、この場合、すべてのパターンが同じ方向に1/2ピクセルオフセットを有する必要がある。一実施例では、12タイルタイプすべてが各二重層において使用される。しかしながら、最大タイルタイプ充填率は、2層上の9タイルタイプに対して得られる。例えば2層上に、6タイルタイプ及び3タイルタイプを構成する必要がある場合もある。例えば、一実施例において、3つの水平方向タイルタイプが単数の垂直方向タイル帯域に対して眼の瞳を充填する一領域を考えてみる。なお、複数の二重層の他の複数の層が他の2つの垂直方向タイル帯域をアドレス指定する。層1及び2は双方とも、同じタイルを包含するが、オフセット配列において所望の瞳充填率を達成する。単数のタイルが寸法(H,V)=(0.8*sqrt(3),0.8)=(1.386,0.8)を有する。1タイルタイプの単数の層上のオフセットは、(dx,dy)=(0,3V)によって与えられる。層2に対する層1のオフセットは、(dx,dy)=(0.5H,1.5V)=(0.693,0.4)によって与えられる。以下の分析では、光学的モデル化を簡単にするべく1mm×1mm正方形が使用されている。しかしながら、形状にかかわらず原理は同じである。しかしながら、所定の形状が優先的に充填されることにも留意すべきである。
Several factors affect the design layout. In order to maximize the pupil filling factor, the tessellation limit needs to be taken into account. Importantly, by having 3, 6, 9 and 12 tiles for each pattern on the two single singular double layers, any position in the display exit pupil relative to the 3 mm diameter projected eye pupil This is the point that the maximum pupil filling rate condition needs to be created. The offset between the two layers of SBG patterns need not have a non-integer offset with respect to the tessellation pattern design in x or y. In one embodiment, the x offset actually results in 1/2 pixel on one side or the other side of a region, and then requires ITO addressing for the 1/2 pixel of that area alone. In one embodiment, this is better avoided to maintain a uniform addressing pitch. In one embodiment, the y offset of the pattern similarly requires 1/2 pixel vertical addressing. Similarly, it is desirable to avoid this. It is acceptable to have a ½ pixel offset in y to maximize coverage, but in this case all patterns need to have a ½ pixel offset in the same direction. In one embodiment, all 12 tile types are used in each double layer. However, the maximum tile type fill factor is obtained for 9 tile types over 2 layers. For example, it may be necessary to configure 6 tile types and 3 tile types on two layers. For example, in one embodiment, consider a region where three horizontal tile types fill the eye pupil for a single vertical tile band. It should be noted that the other layers of the plurality of double layers address the other two vertical tile bands.
図27〜29は、入力画像生成器を含むIINのいくつかの実施例を例示する。入力画像生成器は、ダイオードレーザモジュール34、結合プリズム34A、基板35A、35B間に挟まれたSBGビームスプリッタ層35、マイクロディスプレイモジュール38、表面42A、42Bを含む光導波路41、入力結合部、ホログラフィック対物レンズ、スペーサ半波長板、ホログラフィック対物レンズを含む。
FIGS. 27-29 illustrate some embodiments of an IIN that includes an input image generator. The input image generator includes a
有利には、一実施例において、IINは、テレセントリックな(わずかに投影された)瞳を与える。これによって、良好なコマ制御と、瞳による垂直方向ビーム拡張器の良好な充填とが可能となる。 Advantageously, in one embodiment, the IIN provides a telecentric (slightly projected) pupil. This allows good frame control and good filling of the vertical beam expander by the pupil.
図28Aは、一実施例における、入力画像ノードからデジレンズへのVBEを介した結合を例示する断面図である。図28Bは、図28Aの実施例の詳細な光線トレースを示す。VBEは、デジレンズの高さに対応する距離にわたって、ビームからの損失が多いグレーティング抽出光を含み得るか又は実際に含む。対物レンズ入力において、光は秩序立てられ、瞳全体にわたる光が、緊密な視野角バンドル内に配列される。VBEの遠位端では、異なる視野角を有する光バンドルの異なる数により、当該バンドルがさらに分散される。対物レンズ端では、最高導波路角を有するピンク光線が、VBE導波路の残りから最も遠くに存在する。導波路内の最も急勾配の光線(黄)が左端から開始する。これは、受動入力結合器(及びVBE厚さ)を下側(down)に維持するのに役立つ。遠位端(十分に左)では、VBEから導波路への結合が、入力に見出される次数の損失によって阻害される。導波路の厚さが二倍になることを回避するべく、一実施例では、VBEのデジレンズとの結合ステージにおいて50/50能動結合器が使用される。 FIG. 28A is a cross-sectional view illustrating coupling from an input image node to a DigiLens via VBE in one embodiment. FIG. 28B shows a detailed ray trace of the embodiment of FIG. 28A. The VBE may or will actually include grating extracted light that is lossy from the beam over a distance corresponding to the height of the DigiLens. At the objective lens input, the light is ordered and the light across the pupil is arranged in a tight viewing angle bundle. At the distal end of the VBE, the bundles are further distributed by different numbers of light bundles having different viewing angles. At the objective lens end, the pink ray with the highest waveguide angle is furthest from the rest of the VBE waveguide. The steepest ray (yellow) in the waveguide starts from the left end. This helps to keep the passive input coupler (and VBE thickness) down. At the distal end (fully left), the coupling from VBE to the waveguide is hindered by the loss of order found at the input. To avoid doubling the waveguide thickness, in one embodiment, a 50/50 active coupler is used in the coupling stage with the VBE's DigiLens.
図29は、デジレンズ及びVBEの平面図である。これは、VBEがどのようにして2つの切り換え可能要素に分離されるのかを示す。これによって導波路厚さが低減される。各デジレンズ二重層導波路は、厚さ2.8mmである。切り換え部がなければ、厚さは二倍となって総導波路厚さが約10mmから約18mmに増加する。図10は、VBEからデジレンズまでトレースされた光線を示す。 FIG. 29 is a plan view of a digital lens and VBE. This shows how VBE is separated into two switchable elements. This reduces the waveguide thickness. Each DigiLens double layer waveguide is 2.8 mm thick. Without the switch, the thickness doubles and the total waveguide thickness increases from about 10 mm to about 18 mm. FIG. 10 shows the rays traced from VBE to the DigiLens.
ここに与えられるいくつかの実施例は、基板導波路光学機器に十分適合させる必要がある。第1に、コンポーネントコストが低減される。様々なホログラフィック光学要素には、光学的複雑性が包含される。一セットのマスタを作ることに関連づけられる非反復エンジニアリング(NRE)がひとたび完了すれば、別個の屈折型コンポーネントに関連づけられる反復材料コストと比べ、複製コストが相対的に微々たるものとなる。第2に、組み付け時間が低減される。部品点数が低減されるだけでなく、組み付けプロセスもかなり高速になる。複数の平面構造は、整合基準を使用することによって、極めて高い光学的精密性でコスト効率良く一緒に積層することができる。厳格な基準に合わせてピース部品組付体を作る作業と比べ、手作業も大幅に低減される。第3に、光学的精密性が高くなる。新たな光学設計を設計する上での最大の課題の一つは、ピース部品、機械的ハウジング及び組み付け手順に関する公差の増大を制御することである。ホログラフィック光学要素(HOE)に関しては、NREフェーズ中にHOEマスタに獲得される年長のエンジニア及びこのレベルの品質によって「黄金基準」を組み付けることができる。HOEの光学的整合が高い精密性によって遂行されるという事実に加え、個々のHOEは整合上、ばらつきについて公差を有する。したがって、高品質デバイスの全体的な歩留まりはかなり高い。最後に、サイズ及び重量が、サブシステム全体の耐久性が存在するこのモノリシック設計によって大幅に低減される。 Some examples given here need to be well adapted to the substrate waveguide optics. First, component costs are reduced. Various holographic optical elements involve optical complexity. Once non-repetitive engineering (NRE) associated with creating a set of masters is completed, the replication costs are relatively small compared to the iterative material costs associated with separate refractive components. Second, assembly time is reduced. Not only is the number of parts reduced, but the assembly process is considerably faster. Multiple planar structures can be stacked together cost-effectively with very high optical precision by using alignment criteria. Compared to the work of making a piece parts assembly to meet strict standards, manual work is also greatly reduced. Third, optical precision is increased. One of the biggest challenges in designing a new optical design is to control increasing tolerances for piece parts, mechanical housings and assembly procedures. With respect to holographic optical elements (HOE), the “golden standard” can be assembled by senior engineers acquired by the HOE master during the NRE phase and this level of quality. In addition to the fact that optical alignment of the HOE is performed with high precision, individual HOEs have tolerances for variation in alignment. Therefore, the overall yield of high quality devices is quite high. Finally, size and weight are greatly reduced by this monolithic design where the durability of the entire subsystem exists.
一つの重要な性能パラメータは、ディスプレイのシースルー透過性である。透過性に影響を与える可変因子は、ITOコーティング(0.995)、ARコーティング(0.99)並びに基板及びホログラフィック層の吸収である。導波路と低屈折率接着層との界面におけるフレネル損失も存在する。一実施例において、90%超過の対物レンズを有するカラーディスプレイに対する所望の透過率は70%超過である。ディスプレイごとに3つの導波路及び導波路ごとに2つの基板を仮定すると、計算される透過率は93%であり、規定の対物レンズに適合する。一実施例において、ここに記載される設計は、100ミクロンのガラス基板を使用する。3つの導波路及び導波路ごとに3つの基板(2つのホログラフィック層が3つの基板を必要とする点に留意)により、カラーディスプレイの全ディスプレイ厚さは、なおも1mm未満である。ホログラフィック層(コーティングも含む)の厚さは無視できる。それぞれは、全厚さに対して4〜5ミクロンの寄与に過ぎないからである。重量は常に問題となるので、これも、ここに記載される実施例の重要な特徴となる。基板がプラスチックを含む一実施例では、重量がさらに低減される。 One important performance parameter is the see-through transparency of the display. Variable factors affecting permeability are the ITO coating (0.995), the AR coating (0.99) and the absorption of the substrate and holographic layer. There is also a Fresnel loss at the interface between the waveguide and the low index adhesive layer. In one embodiment, the desired transmission for a color display with an objective lens greater than 90% is greater than 70%. Assuming 3 waveguides per display and 2 substrates per waveguide, the calculated transmission is 93%, which fits the specified objective. In one example, the design described herein uses a 100 micron glass substrate. With three waveguides and three substrates per waveguide (note that two holographic layers require three substrates), the total display thickness of the color display is still less than 1 mm. The thickness of the holographic layer (including the coating) is negligible. This is because each contributes only 4-5 microns to the total thickness. Since weight is always a problem, this is also an important feature of the embodiments described herein. In one embodiment where the substrate comprises plastic, the weight is further reduced.
一実施例において、SBGは、電圧が適用された場合に回折を行い、かつ、他の場合すべてで光学的受動のままとなる逆モードで動作する。SBGは、示されるように薄い基板層(100ミクロンもの薄さ)によって分離された連続SBG薄層として実装される。究極的には、設計目標は、透過型導電コーティング(ITOの置換として)を有するプラスチック基板を使用することにある。本願に適したプラスチックSBG技術は、並列SBIR(Small Business Innovation Research(中小企業技術革新研究))プロジェクトにおいて開発されている。この実施例において、これは、モノリシックホログラフィック光学機器による狭帯域レーザ照明の資産を十分に利用する平面モノリシック設計である。 In one embodiment, the SBG operates in a reverse mode that diffracts when a voltage is applied and remains optically passive in all other cases. The SBG is implemented as a continuous SBG thin layer separated by a thin substrate layer (as thin as 100 microns) as shown. Ultimately, the design goal is to use a plastic substrate with a transmissive conductive coating (as a replacement for ITO). Plastic SBG technology suitable for this application is being developed in a parallel SBIR (Small Business Innovation Research) project. In this example, this is a planar monolithic design that takes full advantage of the assets of narrowband laser illumination with monolithic holographic optics.
SBGをモノクロ層として構成することにより、ホログラフィック光学機器及びSBGビームスプリッタ技術を使用してフラット、ソリッドステートかつ精密整合のディスプレイを与えることができる。これにより、かさばる屈折型光学機器の必要性が最小限となる。ディスプレイの解像度はLCoSパネルのそれによってのみ制限される。 By configuring the SBG as a monochrome layer, a holographic optical instrument and SBG beam splitter technology can be used to provide a flat, solid state and precision aligned display. This minimizes the need for bulky refractive optics. The display resolution is limited only by that of the LCoS panel.
本設計は、各層に多くのタイルをインターレースすること及び/又は新たな層を追加することによって大きなFOVに対してスケール拡張可能である。同様に、瞳、アイレリーフ及びFOVアスペクト比も、当該アプリケーションに適するように合わせることができる。本設計は、小さなFOVに対してスケールダウンすることもできる。 The design can be scaled for large FOVs by interlacing many tiles in each layer and / or adding new layers. Similarly, pupil, eye relief, and FOV aspect ratio can be tailored to suit the application. The design can also be scaled down for small FOVs.
図30A〜30Bは、ここに記載される少なくともいくつかの実施例とともに使用される偏光リサイクルのためのスキームを例示する。これは、SBG材料(現行の又は将来開発されるもの)の特性に基づき又は偏光回転コンポーネントが意図的に導波路に導入される場合に、SBG光取り出し導波路により偏光が維持されない事象において意義がある。詳しくは、直線偏光がデジレンズ導波路内に入力される(すなわち光がVBEから導波路内に結合される)場合及び光がS偏光とP偏光の混合に変換される場合、薄いデジレンズ導波路を使用することができる。これにより、導波路を1/2の薄さまで低減することができる。図30Aは、結合グレーティング353によって入力光線354A、354Bが、355A、355Bにより標識されるTIR経路内に向けられる導波路252を示す。光は任意の偏光にある。しかしながら、一実施例におけるSBG入力グレーティングに対しては、P偏光が望ましい。結合グレーティングアパチャはAである。例示目的のみとして、TIR角は45°となるように選択されている。その結果、第1のTIR跳ね返り後に、制限入力光線が結合グレーティングのエッジを縁取るのに必要な導波路の厚さはA/2となる。 30A-30B illustrate a scheme for polarization recycling used with at least some examples described herein. This is significant in the event that polarization is not maintained by the SBG light extraction waveguide based on the properties of the SBG material (current or future developed) or if a polarization rotation component is intentionally introduced into the waveguide. is there. Specifically, when linearly polarized light is input into a DigiLens waveguide (ie, light is coupled from VBE into the waveguide) and when light is converted to a mixture of S and P polarized light, a thin DigiLens waveguide is used. Can be used. As a result, the waveguide can be reduced to a half thickness. FIG. 30A shows a waveguide 252 in which the input rays 354A, 354B are directed into the TIR path labeled by the coupling grating 353 by 355A, 355B. The light is in any polarization. However, P-polarized light is desirable for the SBG input grating in one embodiment. The combined grating aperture is A. For illustrative purposes only, the TIR angle is selected to be 45 °. As a result, after the first TIR bounce, the waveguide thickness required for the limited input beam to border the edge of the coupled grating is A / 2.
図30Bを参照すると、導波路356は、互いに隣接して配置された第1及び第2のグレーティング357A、357Bと、当該導波路と第1のグレーティングとにより挟まれた半波長フィルム357Cと、当該導波路と第2のグレーティングとにより挟まれた偏光ビームスプリッタ(PBS)フィルム357Dとを含む入力結合光学機器を有する。PBSは、P偏光を透過しかつS偏光を反射するべく設計される。再びであるが、TIR角は、例示目的のみとして45°に選択される。入力P偏光コリメート光358A、358Bが、S偏光359Aを与えるべく第1のグレーティング及び半波長フィルム(HWF)を介して、かつ、P偏光359C、359Dを与えるべく第2のグレーティング及びPBSを介して導波路内に結合される。図30A及び図30Bの実施例を比較すると、第2の実施例において、入力結合アパチャは、HWF及びPBSによる偏光回復に起因して2つのTIR跳ね返り長さと等しくなり得ることが明らかである。図30Aの実施例では、入力対は、一つのTIR跳ね返りよりも長くなり得ない。これは、グレーティング相互依存によって光が導波路から出て下方に向かうように回折されるからである。図30Bの実施例の一つの利点は、導波路厚さが50%だけ低減され得ることにある。すなわち、Aに等しい結合器長さに対し、(45°TIRに対する)導波路厚さはA/4となる。このとき、いくつかの実施例において、導波路内のS光及びP光は分離されない。典型的に、入力光は発散性なので、S及びP光は急速に空間的に混合される。しかしながら、多くのP光取り出しを理由に導波路が偏光を回転させる場合、SからPへの変換がPからSへの変換よりも多く存在する。すなわち、正味の利得がもたらされる。偏光回転は、導波路壁の反射特性から及びSBGが使用されるホログラフィック材料の複屈折から生じる。一実施例において、偏光回転は、導波路の下面に1/4波長フィルム(QWF)を適用することによって与えられる。HWF及びQWFは、厚さ約0.125mmである。典型的な接着層は約75ミクロンである。したがって、いくつかの実施例において、偏光制御フィルムの導波路厚さ全体に対する寄与は著しいものではない。所定の場合には、当該フィルムは、ラミネーション目的で使用される接着層に浸漬することができる。
Referring to FIG. 30B, a
図31は、いくつかの実施例において使用される対向伝播導波路を例示する。導波路は、基板52A、52Bによって挟まれた、同一であるが対向する処方の隣接するグレーティング薄層51A、51Bを含む。左から右へ伝播する導波路光362が、連続的に抽出される光360A〜360Cを与えるべくグレーティング51Aと相互作用し、拡張された出力ビーム360が得られる。右から左へ伝播する導波路光368が、連続的に抽出される光361A〜361Cを与えるべくグレーティング51Bと相互作用し、拡張された出力ビーム361が得られる。なお、左/右伝播方向から抽出されない少量の光は対向グレーティングと相互作用し、光線363〜366によって示されるように、拡張されたビーム360、361に対向する方向に回折されてグレーティングから取り出される。
FIG. 31 illustrates counter-propagating waveguides used in some embodiments. The waveguide includes adjacent thin grating layers 51A, 51B of the same but opposite formulation sandwiched between
図32は、一実施例の導波路における均一性を達成する目的でのビームスプリッタの使用を例示する。この原理は、双方の拡張軸において適用される。さらなる改善として、ビームスプリッタオフセットが導波路に使用される(すなわち、多重跳ね返り相互作用後の均一性を最大にするべく、導波路表面同士の中間ではなく導波路の中間点からオフセットされる)。なおもさらなる改善は、ビーム混合を最適化及び調整するべく、ビームスプリッタにおいて異なる反射率を使用することにある。特定の理論に拘束されるものではないが、ビームスプリッタの反射率%を50/50以外のものに変更することにより、又は、B/S長さに沿った透過/反射スプリットを変更することにより、瞳充填率を均質化かつ最適化することができる。例えば、図32において、導波路353はビームスプリッタ層352を包含する。いくつかの実施例において、ビームスプリッタは、薄いフィルムコーティングを使用して設けることができる。370のようなTIR光線はその後、ビームスプリットを受ける。その結果、光線371〜373に示されるように、導波路の上壁と下壁との間、導波路の上壁とビームスプリッタとの間、及びビームスプリッタと導波路の下壁との間において導波が生じる。
FIG. 32 illustrates the use of a beam splitter to achieve uniformity in the waveguide of one embodiment. This principle applies in both extension axes. As a further improvement, a beam splitter offset is used for the waveguide (ie, offset from the midpoint of the waveguide rather than midway between the waveguide surfaces to maximize uniformity after multiple bounce interactions). A still further improvement consists in using different reflectivities in the beam splitter to optimize and adjust the beam mixing. Without being bound by any particular theory, by changing the reflectivity% of the beam splitter to something other than 50/50, or by changing the transmission / reflection split along the B / S length The pupil filling factor can be homogenized and optimized. For example, in FIG. 32, the
入力照明のプロファイルを制御することによってIINストッパが形成される。少なくともいくつかの実施例において、投影光学機器に硬い物理的ストッパは存在しない。投影されるストッパの利点は、導波路厚さの低減を含む。ストッパは、VBE内のアパチャ直径を最小にするべくVBE上方の途中に投影される。これにより、デジレンズ導波路結合器に対するVBEのアパチャ幅が最小となる(例えば、第1軸拡張器の幅を低減することにより第2軸拡張光学機器の厚さが制限される)。 An IIN stopper is formed by controlling the profile of the input illumination. In at least some embodiments, there is no hard physical stop on the projection optics. The advantages of projected stoppers include a reduction in waveguide thickness. The stopper is projected midway above the VBE to minimize the aperture diameter in the VBE. This minimizes the aperture width of the VBE relative to the DigiLens waveguide coupler (for example, reducing the width of the first axis expander limits the thickness of the second axis expansion optical instrument).
図33〜36は、いくつかの実施例において、デジレンズ内で使用されるITOのアドレス指定アーキテクチャの詳細を示す。 FIGS. 33-36 show details of the ITO addressing architecture used in the DigiLens in some embodiments.
図33は、所与のITO層においてトラック数を低減する方法を示す。この方法は、トラック数を近似的に1/3だけ低減するべくITOの両面アドレス指定及びスーパーピクセルアドレス指定を使用する。第1グループ350に与えられるピクセルは、350A、350Bによって標識されるもののような3単位×1単位次元要素と、350C〜350Hによって標識されるもののような1単位×1単位次元要素とを含み、第2の重畳反転グループ351は、351A〜351Gによって示されるような同一ピクセル幾何形状を含む。
FIG. 33 illustrates a method for reducing the number of tracks in a given ITO layer. This method uses double-sided ITO addressing and superpixel addressing to reduce the number of tracks by approximately 1/3. The pixels presented to the
図34〜36は、電極配線トラックの交互配置がどのようにして、2D電極構造に多重の異なるテッセレーションタイプをアドレス指定すること(切り換えること)を許容するべく使用されるのかを示す。図34は、401のような電極要素がトラック402〜404によって接続される実施例において使用される配線スキームを示す。図35は、示される電極407〜409及びトラック部分410、411を有するもう一つの実施例における配線スキームを示す。図36は、図33の実施例の電極及びトラックを詳細に示す。要素及びトラックは番号421〜434によって示される。
Figures 34-36 show how the interleaving of electrode wiring tracks is used to allow addressing (switching) multiple different tessellation types in a 2D electrode structure. FIG. 34 shows a wiring scheme used in an embodiment in which electrode elements such as 401 are connected by tracks 402-404. FIG. 35 shows a wiring scheme in another embodiment having the electrodes 407-409 and track
電極アーキテクチャは、同一パターン技術を使用することによる部品複雑性の低減、及び十分なアドレス指定ネットワークをもたらすフリップ対称性が利点である。これは、設計作業では必要とされないが、設計及び取り扱いを必要とする部品の数を制限する。 The electrode architecture benefits from reduced component complexity by using the same pattern technology and flip symmetry resulting in a sufficient addressing network. This is not required in the design work, but limits the number of parts that require design and handling.
一実施例において、SBG層の下にある漸増反射プロファイルを使用して、長さに沿ったグレーティングDE(回折効率)変動を制御(又は補助)する(通常は屈折率変調を使用してSBGグレーティングにおいて達成される)。これは、第1の跳ね返りで低いパーセンテージの光が取り出されるが高いパーセンテージは拡張器の他端で取り出される場合に有用である。 In one embodiment, an incremental reflection profile beneath the SBG layer is used to control (or assist) the grating DE (diffraction efficiency) variation along the length (usually using refractive index modulation to form the SBG grating. Achieved). This is useful when a low percentage of light is extracted at the first bounce, but a high percentage is extracted at the other end of the dilator.
一実施例において、入力パワーを倍増させ及び/又は1Dアパチャ幅を最小とするべく1D拡張エンジンが使用される。 In one embodiment, a 1D extension engine is used to double the input power and / or minimize the 1D aperture width.
一実施例において、ディスプレイは「バイザー」として構成される。カラー導波路は、少なくとも一つの平面において曲線を描く。一般に、かかる実施例は、大きな(30mm)アイレリーフ及び大きな射出瞳を有する。大きな射出瞳は、IPD調整の必要性を低減する(又は除去もする)。図37A〜37Bは、両側にデジレンズ71及び光電子工学モジュール70A、70Bを含む湾曲バイザーの概略的な平面図及び側面図である。一つのモジュールがIINを含む。第2のモジュールが補助的な光学機器及び電子機器を包含する。
In one embodiment, the display is configured as a “visor”. The color waveguide draws a curve in at least one plane. In general, such embodiments have a large (30 mm) eye relief and a large exit pupil. A large exit pupil reduces (or even eliminates) the need for IPD adjustment. 37A to 37B are a schematic plan view and a side view of a curved visor including a
図38は、一実施例における湾曲バイザーのデジレンズを詳細に示す。デジレンズは、それぞれがSBGアレイ73A〜73Cを包含する複数の積層導波路を含む。この場合、3つのSBG層が、クラッド層72A〜72Dによって互いに隔離される。光線経路が381A〜381Cによって示される。図39の実施例において、SBG層は、クラッド層なしで積層されて単数導波路構造を形成する。光線経路は382A〜382Cによって示される。
FIG. 38 shows in detail the DigiLens of the curved visor in one embodiment. The digital lens includes a plurality of laminated waveguides each including
図40に示される一実施例において、バイザーデジレンズが、切り子平面要素76A、76Bの形状をとる。これによって導波路が平面となり得る。差し込みB及びCに示されるように、当該切り子間の光界面77にグレーティング77A、77Bが設けられる。その結果、ビーム角が制御されて導波路画像光とSBGアレイ要素との効率的な結合が確保される。グレーティング77A、77Bはブラッググレーティングである。図41に示される一実施例において、76A、76Bのような平面切り子を含む切り子デジレンズが、湾曲光導波路79に埋め込まれる。
In one embodiment shown in FIG. 40, the visor digi lens takes the shape of
当該複数の実施例はモノクロ導波路に依存する。しかしながら、本明細書を考慮すれば明らかなことであるが、複数の代替実施例においては導波路は一を超える色彩で動作し得る。かかる実施例は、複雑なIIN設計を伴う。 The embodiments depend on monochrome waveguides. However, as will be apparent in view of this specification, in alternative embodiments, the waveguide may operate in more than one color. Such an embodiment involves a complex IIN design.
少なくともいくつかの実施例において、ここに記載される多層アーキテクチャは、従来型ホログラムとともに使用することができない。互いに干渉し合うからである。したがって、この課題を克服するには、視野角の時間領域積分を可能とするべく透明に切り換えられ得るSBGを使用することができる。 In at least some embodiments, the multilayer architecture described herein cannot be used with conventional holograms. This is because they interfere with each other. Thus, to overcome this challenge, SBGs can be used that can be switched to transparent to allow time-domain integration of viewing angles.
ここに記載される一実施例は、以下の仕様を有するもののようなHMDに関する。
a)180°シースルー視認性、
b)フルカラー、
c)視野角52°×30°、
d)アイボックス30mm×30mm、
e)解像度2560×1440、
f)スネレン視力標準、
g)アイレリーフ30mm、
h)ユニバーサルIPD、
i)双眼、及び
j)ポリカーボネート光学機器である。
One embodiment described herein relates to an HMD such as one having the following specifications:
a) 180 ° see-through visibility,
b) Full color
c) Viewing angle 52 ° × 30 °,
d) Eye box 30mm x 30mm,
e) Resolution 2560 × 1440,
f) Snellen vision standard,
g) Eye relief 30mm,
h) Universal IPD,
i) binocular, and j) polycarbonate optics.
ここに記載される少なくともいくつかの実施例の一つの重要な特徴は、シースルーの利益を与えることにある。これは、自動車、航空機及び他の輸送アプリケーション、警備にかかわるアプリケーション用のようなプライベートシースルーディスプレイ、建築内装の看板並びに他の多くのアプリケーションのためのヘッドアップディスプレイにおいて非常に重要である。ディスプレイ照明波長光のみを反射させることを目的としてディスプレイの一側に付着されるホログラフィック輝度向上フィルム又は他の狭帯域反射器に加え、シースルーディスプレイは、対向方向視野において不可視に(したがって安全に)することもできる。反射されたディスプレイ照明は、効率的に鏡反射され、それゆえに一方向においてブロックされる。これは、銀行又は資産サービスの設定では通常の、顧客又は個人面接設定における透明デスクトップディスプレイアプリケーションにとって望ましい。 One important feature of at least some of the embodiments described herein is to provide see-through benefits. This is very important in private see-through displays, such as for automotive, aircraft and other transportation applications, security related applications, building interior signs, and heads-up displays for many other applications. In addition to holographic brightness enhancement films or other narrow band reflectors attached to one side of the display for the purpose of reflecting only the display illumination wavelength light, the see-through display is invisible (and therefore safe) in the opposite directional field of view. You can also The reflected display illumination is effectively mirrored and therefore blocked in one direction. This is desirable for transparent desktop display applications in customer or personal interview settings, which are typical in bank or asset service settings.
上述の実施例のいくつかは装着可能ディスプレイを説明するが、上述の実施例のいずれにおいても、接眼レンズ及び網膜を、任意のタイプの結像レンズ及びスクリーンに置換してよいことは明らかである。上述の実施例のいずれも、直接視認又はバーチャル画像のいずれかのディスプレイにおいて使用することができる。可能なアプリケーションは、ビューファインダに使用されるもののような小型ディスプレイから、広い面積の公衆情報ディスプレイにまで及ぶ。上述の実施例は、透明ディスプレイが望まれるアプリケーションにも使用される。例えば、いくつかの実施例は、ヘッドアップディスプレイ及びテレプロンプター(登録商標)のような表示画像が背景にスーパーインポーズされるアプリケーションにおいて使用される。いくつかの実施例は、光学システムの内部画像平面に又はこれの近くに配置されるディスプレイデバイスを与えるべく使用される。例えば、上述の実施例のいずれも、カメラのビューファインダのための記号データディスプレイを与えるべく使用される。記号データが中間画像平面に投影された後ビューファインダ接眼部により拡大される。一実施例は、双眼又は単眼ディスプレイに適用される。もう一つの実施例も、立体映像装着可能ディスプレイに使用される。いくつかの実施例は、リアプロジェクションテレビに使用される。一実施例は、航空、産業及び医療ディスプレイに適用される。エンターテインメント、シミュレーション、バーチャルリアリティ、トレーニングシステム及びスポーツにも複数のアプリケーションが存在する。 Although some of the above embodiments describe wearable displays, it will be appreciated that in any of the above embodiments, the eyepiece and retina may be replaced with any type of imaging lens and screen. . Any of the embodiments described above can be used in either a direct viewing or virtual image display. Possible applications range from small displays such as those used in viewfinders to large area public information displays. The above embodiment is also used for applications where a transparent display is desired. For example, some embodiments are used in applications where display images are superimposed on the background, such as head-up displays and teleprompters. Some embodiments are used to provide a display device that is located at or near the internal image plane of the optical system. For example, any of the embodiments described above can be used to provide a symbol data display for a camera viewfinder. After the symbol data is projected onto the intermediate image plane, it is enlarged by the viewfinder eyepiece. One embodiment applies to binocular or monocular displays. Another embodiment is also used for a stereoscopic image mountable display. Some embodiments are used in rear projection televisions. One embodiment applies to aviation, industrial and medical displays. There are multiple applications in entertainment, simulation, virtual reality, training systems and sports.
レーザ照明を使用する上述の実施例のいずれも、レーザ経路から接眼鏡への照明経路にある任意点に位置するレーザスペックルを除去するスペックル除去器デバイスを組み入れることができる。有利には、スペックル除去器は電子光学デバイスである。望ましくはスペックル除去器はHPDLCデバイスに基づく。 Any of the above-described embodiments that use laser illumination can incorporate a speckle remover device that removes laser speckle located at any point in the illumination path from the laser path to the eyepiece. Advantageously, the speckle remover is an electro-optical device. Preferably the speckle remover is based on an HPDLC device.
参考文献References
以下の特許出願の全体がここに参照として組み入れられる。
本発明者による出願日2011年10月7日、名称「WIDE ANGLE COLOR HEAD MOUNTED DISPLAY」の、本出願人の包袋番号SBG106によっても参照される米国仮特許出願第61/627,202号、
国際出願日2008年7月22日、名称「LASER ILLUMINATION DEVICE」の国際出願第US2008/001909号、
名称「METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING A TRANSPARENT DISPLAY」の国際出願第US2006/043938号、
名称「COMPACT EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY」の国際出願第GB2010/001982号、
国際出願日2010年4月26日、名称「Compact holographic edge illuminated eyeglass display」の国際出願第GB2010/000835号、
出願日2010年11月2日、名称「APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLE」の国際出願第GB2010/002023号、
出願日2005年11月4日、名称「SWITCHABLE VIEWFINDER DISPLAY」の米国特許出願第10/555,661号、
出願日2010年9月28日、名称「Eye Tracked Holographic Edge Illuminated Eyeglass Display」の米国仮特許出願第61/344,748号、
本発明者による名称「IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES」の、現時点で出願番号は入手不可能だが本出願人の包袋番号SBG104により参照される米国仮特許出願、
出願日2011年6月16日、名称「HOLOGRAPHIC BEAM STEERING DEVICE FOR AUTOSTEREOSCOPIC DISPLAYS」の米国仮特許出願第61/457,835号、
国際出願日2008年6月22日、名称「LASER ILLUMINATION DEVICE」の国際出願第US2008/001909号、
本出願人による出願日2010年11月2日、名称「APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLE」の国際出願第GB2010/002023号、
本発明者による出願日2011年9月7日、名称「METHOD AND APPARATUS FOR SWITCHING HPDLC ARRAY DEVICES」の、本出願人の包袋番号SBG105Bによっても参照される米国仮特許出願第61/573,121号、
国際出願日2010年4月26日、名称「COMPACT HOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY」の(及び本出願人の包袋番号SBG073PCTによっても参照される)国際出願第GB2010/000835号、及び
本発明者による名称「IMPROVEMENTS TO CONTACT IMAGE SENSORS」の、現時点で出願番号は入手不可能だが本出願人の包袋番号SBG100により参照される米国仮特許出願である。
The following patent applications are hereby incorporated by reference in their entirety:
US Provisional Patent Application No. 61 / 627,202, also referred to by the applicant's package number SBG106, with the name “WIDE ANGLE COLOR HEAD MOUNTED DISPLAY”, filed October 7, 2011, filed by the inventor.
International application date July 22, 2008, international application number US2008 / 001909 with the name “LASER ILLUMINATION DEVICE”,
International application No. US2006 / 043938 with the name “METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING A TRANSPARENT DISPLAY”,
International application GB2010 / 001982 with the name “COMPACT EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY”,
International application date April 26, 2010, international application GB2010 / 000835 with the name “Compact holographic edge illuminated eyeglass display”,
Filing date November 2, 2010, international application GB2010 / 002023 with the name "APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLE",
Filing date November 4, 2005, US patent application Ser. No. 10 / 555,661, entitled “SWITCHABLE VIEWFINDER DISPLAY”,
Filing date September 28, 2010, US Provisional Patent Application No. 61 / 344,748, entitled “Eye Tracked Holographic Edge Illuminated Eyeglass Display”,
US provisional patent application whose name is "IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES" by the present inventor, which is currently not available but is referred to by the applicant's package number SBG104,
Application date: June 16, 2011, US Provisional Patent Application No. 61 / 457,835, entitled “HOLOGRAPHIC BEAM STEERING DEVICE FOR AUTOSTEREOSCOPIC DISPLAYS”,
International application date June 22, 2008, international application number US2008 / 001909 with the name “LASER ILLUMINATION DEVICE”,
Filing date of the applicant on November 2, 2010, international application GB2010 / 002023 with the name “APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLE”,
US Provisional Patent Application No. 61 / 573,121, also referred to by the applicant's package number SBG105B, dated September 7, 2011, filed by the present inventor and named “METHOD AND APPARATUS FOR SWITCHING HPDLC ARRAY DEVICES” ,
International Application Date Apr. 26, 2010, International Application No. GB2010 / 000835 of the name “COMPACT HOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY” (and also referred to by the applicant's bag number SBG073PCT), and the name of the inventor This is a US provisional patent application of “IMPROVEMENTS TO CONTACT IMAGE SENSORS” that is currently not available but is referenced by the applicant's bag number SBG100.
マイクロテッセレーションMicro tessellation
一セットの実施例はマイクロテッセレーションを使用する。切り換え可能ブラッググレーティングデジレンズ(DigiLens(登録商標))の導波路デバイスを背景とするマイクロテッセレーショングレーティングの性能を以下で探査する。テッセレーションは、ギャップなしで一緒に嵌まり合う繰り返し形状の一パターンである。用語「テッセレーション」の使用は、テッセレーションパターンの単数要素について言及する。デジレンズ(DigiLens(登録商標))デバイスに関連するテッセレーションの実際的なアプリケーションにおいて、テッセレーションとは、テッセレーション要素間に実質的なギャップなしで複数のパターンを作ることも意味する。すなわち、ここでは、全体的なアパチャ充填率係数が高い。 One set of embodiments uses micro tessellation. The performance of a micro tessellation grating in the background of a switchable Bragg grating digital lens (DigiLens®) waveguide device is explored below. Tessellation is a pattern of repetitive shapes that fit together without gaps. The use of the term “tessellation” refers to a singular element of a tessellation pattern. In the practical application of tessellation associated with DigiLens® devices, tessellation also means creating multiple patterns without substantial gaps between tessellation elements. That is, here, the overall aperture filling factor coefficient is high.
テッセレーション要素は、切り換え可能回折グレーティング(SBG)となる一つ又は複数の回折グレーティングの一領域(アパチャ)である。テッセレーションは、当該テッセレーションの複数領域すべてにわたり同時に光を回折する。回折グレーティングは、切り換え可能又は切り換え不能である。 A tessellation element is a region (aperture) of one or more diffractive gratings that becomes a switchable diffraction grating (SBG). Tessellation diffracts light simultaneously across all regions of the tessellation. The diffractive grating is switchable or non-switchable.
マイクロテッセレーション:これは、一の大きな主テッセレーション要素内に存在する一の小さなテッセレーションである。一の主テッセレーション内の複数のマイクロテッセレーションは、異なるグレーティング処方を有する。一の主テッセレーション要素内に存在する複数のマイクロテッセレーション要素はすべてが同時に光を回折する。テッセレーションの性能及びそのMTFへの影響が、初期の文献に記載されている。そこでは、単数のグレーティングがテッセレーションに書き込まれる。 Microtessellation: This is a small tessellation that exists within a large main tessellation element. Multiple micro tessellations within one main tessellation have different grating prescriptions. A plurality of micro tessellation elements present in one main tessellation element all diffract light simultaneously. Tessellation performance and its impact on MTF are described in earlier literature. There, a single grating is written in the tessellation.
主テッセレーション構造内のマイクロテッセレーションMicro tessellation in the main tessellation structure
興味ある性能の考慮は、MTF(解像度)及び視野角均一性である。 Interesting performance considerations are MTF (resolution) and viewing angle uniformity.
タイル張りされた基板導波路(SGO)では、当該導波路に単数の視野角が存在する。任意の所与の時間的瞬間において、これは、全体的視野角の一部に対する視野角情報を有する。眼のディスプレイの場合、これは、SGOから取り出された投影視野の一部である。光取り出しグレーティングは、この視野角内容を、眼がこの視野角情報をアイボックスにわたって見ることができるように取り出す必要がある。好ましくは、アイボックス内のいずれの位置にある眼の瞳でも各視野角に対し及びすべての視野角に対し同じ放射束で取り出される。初期の研究で認識されているのは、大きなテッセレーションが優れたMTF(解像度)性能をもたらすこと、及びテッセレーションが小さくなればなるほど、眼の瞳での視野角放射照度が均一になることである。光取り出しグレーティング角度帯域は、視野角とともに出力光の減少を引き起こす。十分な解像度をもたらす最小テッセレーションサイズは、求められるシステム解像度に依存する。しかしながら、幅(又は直径)0.5mmから1mmという最小テッセレーションのアパチャサイズは、一実施例において大きなアパチャが好ましい場合、近似的に解像度0.7から1.4lp/mrをサポートする必要がある。これは特に、高い空間周波数性能に影響を与える。 In a tiled substrate waveguide (SGO), there is a single viewing angle in the waveguide. At any given time instant, it has viewing angle information for a portion of the overall viewing angle. In the case of an ophthalmic display, this is part of the projected field of view taken from the SGO. The light extraction grating needs to extract this viewing angle content so that the eye can see this viewing angle information across the eyebox. Preferably, the eye pupil at any position within the eyebox is extracted with the same radiant flux for each viewing angle and for all viewing angles. Early research has recognized that large tessellation results in excellent MTF (resolution) performance, and the smaller the tessellation, the more uniform the viewing angle irradiance at the eye pupil. is there. The light extraction grating angle band causes a decrease in output light along with the viewing angle. The minimum tessellation size that provides sufficient resolution depends on the required system resolution. However, a minimum tessellation aperture size of 0.5 mm to 1 mm in width (or diameter) should support a resolution of approximately 0.7 to 1.4 lp / mr if a large aperture is preferred in one embodiment. . This particularly affects high spatial frequency performance.
テッセレーションは、回折状態にある場合に、当該テッセレーションアパチャ領域にあるすべての箇所で同時に光を回折的に取り出す光取り出しグレーティングの一領域である。テッセレーション内の領域は、一つのグレーティング処方又は複数のグレーティング処方を包含する。この複数グレーティング処方は、グレーティングを多重化する(複数のグレーティング処方がテッセレーションの同じエリアを共有する)か又は当該テッセレーションの、単数のグレーティングのみが書き込まれる空間的に別個の領域を有することによって達成される。マイクロテッセレーションは、他の小さなテッセレーションエリアと同時に切り換えられる小さなテッセレーションである。空間的に別個のマイクロテッセレーション(μT)は以下のように精査される。 Tessellation is a region of a light extraction grating that, when in a diffractive state, simultaneously diffracts light at all locations in the tessellation aperture region. The region within the tessellation includes one grating recipe or multiple grating recipes. This multiple-grating prescription is either by multiplexing the gratings (multiple grating prescriptions share the same area of tessellation) or by having a spatially distinct region of the tessellation where only a single grating is written. Achieved. Micro tessellation is a small tessellation that is switched simultaneously with other small tessellation areas. Spatially distinct micro tessellations (μT) are probed as follows.
μTグレーティングは、近隣のμT(視野角において)と重なる角度帯域を有するように設計される。一実施例における所与の視野角に対してマイクロテッセレーションをモデル化することを以下に説明する。考慮すべき一つのケースは、異なる視野角が異なる箇所で出力されるようにするマイクロテッセレーションのFoV重畳である。考慮すべきもう一つのケースは、多重マイクロテッセレーションからの所与の視野角に対する眼の瞳の均等放射照度である。多重マイクロテッセレーションから均等に光を出力する視野角も存在するので、眼の瞳の同じ放射照度が得られる。仮定されるのは、このとき、眼の瞳の放射照度が少ないか又はこれを有しないマイクロテッセレーションが存在することである。トップハットモデルが、このケースをモデル化するのに適切である。 The μT grating is designed to have an angular band that overlaps with the neighboring μT (at viewing angle). Modeling micro tessellation for a given viewing angle in one embodiment is described below. One case to consider is FoV superposition of micro tessellation that allows different viewing angles to be output at different locations. Another case to consider is the equal irradiance of the eye pupil for a given viewing angle from multiple micro tessellations. Since there is also a viewing angle that outputs light evenly from multiple micro tessellations, the same irradiance of the eye pupil can be obtained. It is assumed that there is now a microtessellation that has little or no irradiance in the eye pupil. A top hat model is appropriate to model this case.
多重マイクロテッセレーションからの所与の視野角に対する眼の瞳の不均等な放射照度が調査される。このケースをモデル化するべく、不均等アパチャ重みづけをモデル化することが必要となる。任意の所与の単数視野角に対しては、マイクロテッセレーションからマイクロテッセレーションへの出力は滑らかな関数とはならず、むしろステップ状関数となる。これは、以下の空間分布プロットに示される。 The uneven irradiance of the eye pupil for a given viewing angle from multiple micro tessellations is investigated. In order to model this case, it is necessary to model the unequal aperture weighting. For any given singular viewing angle, the output from microtessellation to microtessellation will not be a smooth function, but rather a stepped function. This is shown in the following spatial distribution plot.
以下のモデル化は、アパチャ充填率25%、50%及び75%に対する均等放射照度のケースをまず評価した。視野角のケースのほとんどはトップハットではないので、異なるマイクロテッセレーションに対する代表的な視野角重みづけ関数によって評価する必要がある。 The following modeling first evaluated the case of uniform irradiance for aperture fill rates of 25%, 50% and 75%. Most of the viewing angle cases are not top-hats and need to be evaluated with typical viewing angle weighting functions for different micro tessellations.
典型的な角度分布が図42Aに示される。対応する空間分布が図42Bに示される。ケースAにおいて、この視野角に対するトップハット関数はアパチャ充填率50%を与える。ケースBにおいて、複数のタイルは異なる重みづけを有する。したがって、アパチャはトップハット関数とはならない。なお、マイクロテッセレーションは、示される正方形又は順序である必要はなく、かつ、2D分布のような任意の形状又は順序を有し得る。 A typical angular distribution is shown in FIG. 42A. The corresponding spatial distribution is shown in FIG. 42B. In case A, the top hat function for this viewing angle gives an aperture fill factor of 50%. In case B, the tiles have different weights. Therefore, the aperture is not a top hat function. Note that the micro tessellation need not be the square or order shown and can have any shape or order, such as a 2D distribution.
構造化されかつランダムな配列が調査された。以下の図は、非ランダムの規則的繰り返しマイクロテッセレーションパターンを示す。 Structured and random sequences were investigated. The following figure shows a non-random regularly repeating micro tessellation pattern.
図43は、MTF曲線(図43A)及び3Dレイアウト図を例示する。図43Bは、アパチャ充填率50%の効果を示す。ピッチ100μmのアパチャ50μm、眼の瞳3mmである。ピッチ40μmのアパチャ10μm(充填率係数25%)及び緑色光(532nm)のみが仮定された。得られた周波数空間における高変調に留意する。図44は、アパチャ充填率25%の効果を示す。ピッチ40μmのアパチャ10μm、眼の瞳3mmである。MTF及び3Dレイアウトのプロットが与えられる。ピッチ40μmのアパチャ10μm(充填率係数25%)である。緑(532nm)が仮定される。図45は、アパチャ充填率50%の効果を示す。ピッチ250μmのアパチャ125μm、眼の瞳3mmであり、MTFプロット(図45A)及びフットプリント図(図45B)を使用する。ピッチ250μmのストライプアパチャ125μm(充填率係数50%)及び緑(532nm)が仮定される。非ランダムの規則的周期構造が、角度周波数の興味範囲全体にわたって、MTFの瞬間的降下を示す。典型的には1.4cyc/mrである。
FIG. 43 illustrates an MTF curve (FIG. 43A) and a 3D layout diagram. FIG. 43B shows the effect of 50% aperture fill. The aperture is 50 μm with a pitch of 100 μm and the pupil of the eye is 3 mm. Only an aperture of 10 μm pitch (fill factor 25%) and green light (532 nm) with a pitch of 40 μm was assumed. Note the high modulation in the resulting frequency space. FIG. 44 shows the effect of an aperture filling factor of 25%. The aperture is 10 μm with a pitch of 40 μm, and the pupil of the eye is 3 mm. MTF and 3D layout plots are given. The aperture is 10 μm with a pitch of 40 μm (filling factor 25%). Green (532 nm) is assumed. FIG. 45 shows the effect of an aperture filling rate of 50%. The aperture is 125 μm with a pitch of 250 μm, the pupil of the eye is 3 mm, and the MTF plot (FIG. 45A) and footprint diagram (FIG. 45B) are used. A stripe aperture of 125 μm with a pitch of 250 μm (fill
次に、ランダムなマイクロテッセレーションパターンが考慮された。周期的アパチャ関数からの結果はMTFの「孔」を示す。以下において、マイクロテッセレーションを使用しての眼の瞳充填のランダム化を調査する。充填率25%、50%及び75%のテッセレーション%が考慮される。この初期分析のために、テッセレーションが眼の瞳の100%となるように考慮された。後のケースでは、眼の瞳3mmとともにマイクロテッセレーションを包含する1mm正方形のテッセレーションが考慮される。 Next, a random micro tessellation pattern was considered. The result from the periodic aperture function indicates a “hole” in the MTF. In the following, the randomization of eye pupil filling using micro tessellation will be investigated. A fill factor of 25%, 50% and 75% tessellation is considered. For this initial analysis, it was considered that the tessellation would be 100% of the eye pupil. In the latter case, a 1 mm square tessellation is considered that encompasses micro tessellation with a 3 mm eye pupil.
以下の例示は、50ミクロンのマイクロテッセレーションの特性を示す。図46Aは、眼の瞳3mmにある50μmのマイクロテッセレーションのアパチャ充填率75%の効果を示すフットプリント図である。図46Bは、眼の瞳3mmにある50μmのマイクロテッセレーションのアパチャ充填率75%の効果を示すMTFプロットである。図47Aは、眼の瞳3mmにある50μmのマイクロテッセレーションのアパチャ充填率50%の効果を示すフットプリント図である。図47Bは、眼の瞳3mmにある50μmのマイクロテッセレーションのアパチャ充填率50%の効果を示すMTFプロットである。図48Aは、眼の瞳3mmにある50μmのマイクロテッセレーションのアパチャ充填率25%の効果を示すフットプリント図である。図48Bは、眼の瞳3mmにある50μmのマイクロテッセレーションのアパチャ充填率25%の効果を示すMTFプロットである。
The following example shows the characteristics of a 50 micron micro tessellation. FIG. 46A is a footprint diagram showing the effect of an aperture filling factor of 75% for micro tessellation of 50 μm on the eye pupil of 3 mm. FIG. 46B is an MTF plot showing the effect of 75% aperture fill of 50 μm micro tessellation on the
次に、125ミクロンのマイクロテッセレーションが調査された。図49Aは、125μmのマイクロテッセレーション、眼の瞳3mmのアパチャ充填率75%の効果を示すフットプリント図である。図49Bは、125μmのマイクロテッセレーション、眼の瞳3mmのアパチャ充填率75%の効果を示すフットプリント図である。図50Aは、125μmのマイクロテッセレーション、眼の瞳3mmのアパチャ充填率50%の効果を示すフットプリント図である。図50Bは、125μmのマイクロテッセレーション、眼の瞳3mmのアパチャ充填率50%の効果を示すMTFプロットである。図51Aは、125μmのマイクロテッセレーション、眼の瞳3mmのアパチャ充填率25%の効果を示すフットプリント図である。図51Bは、125μmのマイクロテッセレーション、眼の瞳3mmのアパチャ充填率25%の効果を示すMTFプロットである。
Next, 125 micron micro tessellation was investigated. FIG. 49A is a footprint diagram showing the effect of a micro tessellation of 125 μm and an aperture filling factor of 75% for an eye pupil of 3 mm. FIG. 49B is a footprint diagram showing the effect of a micro tessellation of 125 μm and an aperture filling factor of 75% for an eye pupil of 3 mm. FIG. 50A is a footprint diagram showing the effect of micro tessellation of 125 μm and an aperture filling rate of 50% for an eye pupil of 3 mm. FIG. 50B is a MTF plot showing the effect of micro tessellation of 125 μm,
次に、マイクロテッセレーション250ミクロンが調査された。図52Aは、250μmのマイクロテッセレーション、眼の瞳3mmのアパチャ充填率75%の効果を示すフットプリント図である。図52Bは、250μmのマイクロテッセレーション、眼の瞳3mmのアパチャ充填率75%の効果を示すフットプリント図である。図53Aは、250μmのマイクロテッセレーション、眼の瞳3mmのアパチャ充填率50%の効果を示すフットプリント図である。図53Bは、250μmのマイクロテッセレーション、眼の瞳3mmのアパチャ充填率50%の効果を示すMTFプロットである。図54Aは、250μmのマイクロテッセレーション、眼の瞳3mmのアパチャ充填率25%の効果を示すフットプリント図である。図54Bは、250μmのマイクロテッセレーション、眼の瞳3mmのアパチャ充填率25%の効果を示すMTFプロットである。
Next, a micro tessellation of 250 microns was investigated. FIG. 52A is a footprint diagram showing the effect of micro tessellation of 250 μm, aperture filling ratio of 75% of
眼の瞳の直径よりも小さなテッセレーション及びマイクロテッセレーションも調査された。図55Aは、眼の瞳の直径3mmを使用した、125μmのマイクロテッセレーションの充填率50%となる1mmのテッセレーションの効果を示すフットプリント図である。図55Bは、眼の瞳の直径3mmを使用した、マイクロテッセレーション125μの充填率50%となる1mmのテッセレーションの効果を示すMTFプロットである。図56Aは、眼の瞳の直径3mmを使用した、125μmのマイクロテッセレーションの充填率50%となる1.5mmのテッセレーションの効果を示すフットプリント図である。図56Bは、眼の瞳の直径3mmを使用した、125μmのマイクロテッセレーションの充填率50%となる1mmのテッセレーションの効果を示すフットプリント図である。図57Aは、眼の瞳の直径3mmを使用した、125μmのマイクロテッセレーションの充填率50%となる1mmのテッセレーションの効果を示すフットプリント図である。図57Bは、眼の瞳の直径3mmを使用した、125μmのマイクロテッセレーションの充填率50%となる1mmのテッセレーションの効果を示すMTFプロットである。 Tessellation and microtessellation smaller than the diameter of the eye pupil were also investigated. FIG. 55A is a footprint diagram showing the effect of 1 mm tessellation using a 3 mm diameter pupil of the eye resulting in a 50% fill rate of 125 μm micro tessellation. FIG. 55B is an MTF plot showing the effect of 1 mm tessellation with a 50% fill rate of 125 μm microtessellation using an eye pupil diameter of 3 mm. FIG. 56A is a footprint diagram showing the effect of 1.5 mm tessellation resulting in a 50% fill rate of 125 μm micro tessellation using an eye pupil diameter of 3 mm. FIG. 56B is a footprint diagram showing the effect of 1 mm tessellation resulting in 50% filling of 125 μm micro tessellation using a 3 mm diameter pupil of the eye. FIG. 57A is a footprint diagram showing the effect of 1 mm tessellation using a 3 mm diameter pupil of the eye, resulting in a 50% fill rate of 125 μm micro tessellation. FIG. 57B is an MTF plot showing the effect of 1 mm tessellation resulting in 50% fill rate of 125 μm micro tessellation using a 3 mm diameter pupil of the eye.
空間的にランダムな可変透過率アパチャが調査された。第1ステップは、モデルの妥当性、すなわちUDA(ユーザ定義アパチャ)からビットマップグレースケール透過アパチャへの変化をチェックすることである。直径3mmの眼の瞳において、水平方向ストライプは、アパチャ1.5mm(125μmのμT)にわたる。 A spatially random variable transmittance aperture was investigated. The first step is to check the validity of the model, ie the change from UDA (User Defined Aperture) to Bitmap Grayscale Transparent Aperture. In a 3 mm diameter eye pupil, the horizontal stripe spans an aperture of 1.5 mm (125 μm μT).
以下において、モデル化技術が比較される。UDA(ユーザ定義アパチャ)としての実装モデル、透過アパチャとしてビットマップモデルを使用した実装モデルである。ここで、ビットマップレベルはバイナリである。予測されるMTF結果は同じであるから、モデル化ツールも同等である。図58Aは、UDAのMTFプロットを示す。図58Bは、ビットマップアパチャ関数を示す。 In the following, modeling techniques are compared. An implementation model using a UDA (user-defined aperture) and a bitmap model as a transparent aperture. Here, the bitmap level is binary. Since the predicted MTF results are the same, the modeling tools are equivalent. FIG. 58A shows a MTF plot of UDA. FIG. 58B shows a bitmap aperture function.
図59は、可変透過率及び眼の瞳3mmによってランダムに位置決めされた125μmのマイクロテッセレーションを使用した1.0mmのテッセレーションを示す。可変アパチャ透過率の使用により、(テッセレーションの大部分である)非トップハットモデルのケースを良好に表すようにモデルを改善することができる。DE値0%、50%及び100%は、図59Aに示される視野角のケースと同等である。 FIG. 59 shows 1.0 mm tessellation using 125 μm micro tessellation randomly positioned with variable transmission and 3 mm eye pupil. By using variable aperture transmittance, the model can be improved to better represent the case of the non-top hat model (which is the majority of tessellation). The DE values 0%, 50% and 100% are equivalent to the viewing angle case shown in FIG. 59A.
これが、3つの重畳グレーティングの空間的に可能な限り最も広いケースを表すことに留意する。すなわち、視野角が、主テッセレーションエリアの75%によって出力される(2つのマイクロテッセレーションからの寄与が50%存在するにもかかわらず)。4タイルタイプがここに表される。透過率の値は、50%、100%、50%、0%であった。マイクロテッセレーションのアパチャは125μm正方形である。グリッドは8×8ピクセルであった。よって、テッセレーションのアパチャは1mm×1mm正方形である。 Note that this represents the widest spatially possible case of the three superimposed gratings. That is, the viewing angle is output by 75% of the main tessellation area (despite the 50% contribution from the two micro tessellations). Four tile types are represented here. The transmittance values were 50%, 100%, 50%, and 0%. The aperture of the micro tessellation is a 125 μm square. The grid was 8x8 pixels. Thus, the tessellation aperture is a 1 mm × 1 mm square.
図60は、可変透過率及び眼の瞳3mmでランダムに位置決めされた125μmのμTを使用した1.0mmのテッセレーションの効果を示すMTFプロットである。なお、上の囲み領域内の空間周波数が、アパチャ充填率50%と75%とのピクセル125μmに対するトップハット予測に関連する図に示される予測の間となる。下の囲み領域内に示される高い空間周波数が、主テッセレーション形状の影響を最も受ける。読み手は、アパチャ充填率50%に対して示される図を参照する。アパチャ充填率75%に対してMTFの改善が存在することにも留意すべきである。 FIG. 60 is an MTF plot showing the effect of 1.0 mm tessellation using 125 μm μT randomly positioned with variable transmission and 3 mm eye pupil. Note that the spatial frequency in the upper enclosed region is between predictions shown in the figure related to the top hat prediction for the pixel 125 μm with the aperture filling ratios of 50% and 75%. The high spatial frequency shown in the lower enclosed area is most affected by the main tessellation shape. The reader refers to the diagram shown for an aperture fill factor of 50%. It should also be noted that there is an improvement in MTF for 75% aperture fill.
次に図61を参照すると、可変透過率及び眼の瞳3mmでランダムに位置決めされた125μmのマイクロテッセレーションを使用した1.5mmのテッセレーションが考慮された。4つの異なるタイルタイプが図61に表される。透過率の値は、50%、100%、50%、0%であった。マイクロテッセレーションのアパチャは125μm正方形であった。グリッドは12×12ピクセルである。よって、テッセレーションのアパチャは1.5mm×1.5mm正方形である。 Referring now to FIG. 61, 1.5 mm tessellation using 125 μm micro tessellation randomly positioned with variable transmission and 3 mm eye pupil was considered. Four different tile types are represented in FIG. The transmittance values were 50%, 100%, 50%, and 0%. The aperture of the micro tessellation was a 125 μm square. The grid is 12 × 12 pixels. Thus, the tessellation aperture is a 1.5 mm × 1.5 mm square.
図62は、可変透過率及び眼の瞳3mmでランダムに位置決めされた125μmのマイクロテッセレーションを使用した1.5mmのテッセレーションの効果を示すMTFである。高い空間周波数が、主テッセレーション形状による影響を最も受けることに留意すべきである。よって、基本となるテッセレーションを1.0mmから1.5mmに増加させることによって、高周波数応答が改善された。 FIG. 62 is an MTF showing the effect of 1.5 mm tessellation using 125 μm micro tessellation randomly positioned with variable transmission and 3 mm eye pupil. It should be noted that high spatial frequencies are most affected by the main tessellation shape. Therefore, increasing the basic tessellation from 1.0 mm to 1.5 mm improved the high frequency response.
まとめ:
a)マイクロテッセレーションの回折効果を考慮する必要がある。
b)マイクロテッセレーションの回折効果は、基本となる主テッセレーションパターンの回折効果とは別個である。
c)μTの使用は、マイクロテッセレーションを包含しない単数テッセレーションの使用と比較してMTFを劣化させる。しかしながら、マイクロテッセレーションにより、テッセレーションは大きな角度帯域を有することができる。これによって、所望のテッセレーション数が全体的に低減される。そして、これにより大きなテッセレーションが許容される。
d)μTの規則的パターンが、MTF周波数応答の許容不可能な瞬間的降下を引き起こすMTF変調を引き起こす。
e)MTFの瞬間的降下は、マイクロテッセレーションを空間的にランダムに配列することによって平均してならすことができる。なお、合理的なランダム配列を許容できる程度にμTを十分小さくする必要がある。μT幅に対する比が約8:1のテッセレーションが十分なようであるが、これは十分に探査されてきたわけではない。
f)μTの実装を成功させるには、テッセレーション間の視野角重畳量が極めて重要である。モデル化されたケースにおいて、マイクロテッセレーションのABW(角度帯域)は、テッセレーションABW全体の少なくとも1/2である。重畳が大きいほど、これが所与の視野角に対する利用可能アパチャを効率的に増加させるので、MTF性能の改善がもたらされる。
g)異なるグレーティング構成に対するトレードオフのケースをモデル化するツールがここに確立される。
Summary:
a) It is necessary to consider the diffraction effect of micro tessellation.
b) The diffraction effect of micro tessellation is distinct from the diffraction effect of the basic main tessellation pattern.
c) The use of μT degrades the MTF compared to the use of singular tessellation that does not involve micro tessellation. However, due to micro tessellation, the tessellation can have a large angular band. This reduces the overall number of tessellations desired. This allows a large tessellation.
d) A regular pattern of μT causes MTF modulation that causes an unacceptable momentary drop in MTF frequency response.
e) The instantaneous drop in MTF can be averaged by spatially randomly arranging micro tessellations. It is necessary to make μT sufficiently small to allow a reasonable random arrangement. A tessellation with a ratio to μT width of about 8: 1 appears to be sufficient, but this has not been explored well.
f) The viewing angle overlap between tessellations is extremely important for successful implementation of μT. In the modeled case, the micro-tessellation ABW (angle band) is at least 1/2 of the total tessellation ABW. The greater the overlap, the better the MTF performance, as this effectively increases the available aperture for a given viewing angle.
g) Tools are established here to model trade-off cases for different grating configurations.
一のテッセレーションにわたる空間的ランダム配列によるマイクロテッセレーション構造の実装が、追加的な設計柔軟性を与える。実際、MTFを犠牲にしてテッセレーション角度帯域(ABW)が向上する。結論が示すのは、マイクロテッセレーション特徴のランダム配列により、非ランダムのパターンに見出されるMTF振動の均質化(おおよその平均化)が許容されるということである。さらに、興味の少ない空間周波数のMTFを、改善されたテッセレーションABWに対して犠牲とすることができる。関連する重畳グレーティングについて異なるケースも考慮される。マイクロテッセレーションによりサポートされるMTFは、マイクロテッセレーションのサイズ及び重畳%に依存する。重畳テッセレーションの代表的なケースのABWを、所望のアーキテクチャをサポートすることが望まれる折り畳みグレーティングとの関連で詳細に考慮する必要がある。特徴サイズ50μm、125μm及び250μmを有するマイクロテッセレーションが、眼の瞳が3mm及び0.5mm、1.0mm並びに3mm未満のサイズの主テッセレーション要素を背景として考慮されている。これらは、ニアアイディスプレイを背景として動作させるには実用的な数である。しかしながら、テッセレーションは任意のサイズ又は形状であり、マイクロテッセレーションは当該主テッセレーションよりも小さい任意のサイズ又は形状である。 Implementation of a micro tessellation structure with a spatial random array over a single tessellation provides additional design flexibility. In fact, the tessellation angle band (ABW) is improved at the expense of MTF. The conclusions indicate that random arrangement of micro tessellation features allows homogenization (approximate averaging) of MTF oscillations found in non-random patterns. Furthermore, less interesting spatial frequency MTFs can be sacrificed for improved tessellation ABW. Different cases are also considered for the associated superimposed grating. The MTF supported by micro tessellation depends on the micro tessellation size and percent overlap. The typical case ABW of superimposed tessellation needs to be considered in detail in the context of folding gratings where it is desired to support the desired architecture. Micro-tessellations with feature sizes of 50 μm, 125 μm and 250 μm are considered against the background of main tessellation elements with eye pupil sizes of 3 mm and 0.5 mm, 1.0 mm and less than 3 mm. These are practical numbers for operating with a near-eye display as a background. However, the tessellation is any size or shape and the micro tessellation is any size or shape that is smaller than the main tessellation.
次に、テッセレーションパターンの照度均一性分析が行われた。図63を参照すると、1mmのテッセレーションを含むケース1が考慮された。重畳ごとに充填される基準設計が図に示される。図63は、6層、12タイル、モノクロ基準設計を表す。アパチャ充填率50%の単数タイルが仮定された。さらに仮定されたのは、アイレリーフ17mm、眼の瞳3mm、6層のモノクロ基準設計、1mmのテッセレーション、及びオフセット基準設計である。単位セルは2×3である。重畳は図63に示されるように、タイル張りされた重畳パターンを生成する。1mmのテッセレーションでは、最小から最大までの最高の均一性は、アパチャ充填率50%で±12%、すなわち均一性変動±12%=24%p−pである。
Next, illuminance uniformity analysis of the tessellation pattern was performed. Referring to FIG. 63,
図64は、アイレリーフ30mmの眼の瞳3mmに対して軸上で繰り返されるケース1bを示す。アイレリーフは、変動に係る空間周波数に影響を与える。アイレリーフが大きいほど、空間周波数のリップルが高くなる。均一性の大きさは影響を受けない。最大のリップルは瞳充填率56.6%である。最小のリップルは瞳充填率43.4%である。均一性は、±13.2%、ピークツーピークで26.4%である。
FIG. 64 shows a case 1b repeated on the axis for an eye relief of 3
図65は、1mmのテッセレーション、最適化充填率のケース2を示す。図は、グレーティング位置が再び最適化された6層、12タイルのモノクロ基準設計を表す。単数タイルがアパチャ充填率50%を有する。3mmの眼の瞳及び1mmのテッセレーションが仮定された。テッセレーションは空間的に均一である。
FIG. 65 shows
図66は、最大及び最小の状況を考慮するケース2を例示する。最小45.1%及び最大54.9%に対応するフットプリント図が示される。1mmのテッセレーションでは、最小から最大までの最高の均一性は、アパチャ充填率50%で±5%、すなわち均一性変動±10%(20%p−p)である。
FIG. 66 illustrates
図67は、アパチャ充填率50%、軸外での0.5mmのテッセレーションのケース3を例示する。図67は、6層、12タイル、モノクロ基準設計を表すが、テッセレーションは0.5mmである。単数タイル、アパチャ充填率50%及び眼の瞳3mmが仮定される。この計算は、0.5mm幅テッセレーションでのアパチャ充填率50%を模擬する。リップルは、最大=50.4、最小=49.6として計算される。リップルの大きさは約±0.8%(1.6%P−P)である。測定された視野角範囲は、約11度から24度であった。リップル周波数は、1.25度に対して約1サイクルである。
FIG. 67 exemplifies
図68は、アパチャ充填率50%、軸上での0.5mmのテッセレーションのケース3bを例示する。図68は、6層、12タイル、モノクロ基準設計を表すが、テッセレーションは0.5mmである。単数タイル、アパチャ充填率50%及び眼の瞳3mmが仮定された。これは、0.5mm幅テッセレーションでのアパチャ充填率50%を模擬する。リップルは、最大=50.9、最小=49.6として計算された。リップルの大きさは約±1.5%(3%P−P)である。測定された視野角範囲は、約±6.5度であった。軸外では、テッセレーションが短縮されるので、均一性が改善される。リップル周波数は1.25度に対し約1サイクルである。 FIG. 68 illustrates a case 3b with an aperture filling factor of 50% and 0.5 mm tessellation on the axis. FIG. 68 represents a 6 layer, 12 tile, monochrome reference design with a tessellation of 0.5 mm. A single tile, an aperture fill factor of 50% and an eye pupil of 3 mm was assumed. This simulates an aperture fill factor of 50% with 0.5 mm wide tessellation. The ripple was calculated as maximum = 50.9, minimum = 49.6. The magnitude of the ripple is about ± 1.5% (3% PP). The measured viewing angle range was about ± 6.5 degrees. Off-axis, tessellation is shortened, thus improving uniformity. The ripple frequency is about 1 cycle for 1.25 degrees.
図69は、眼の瞳4mm、テッセレーション0.5mm、アパチャ充填率50%を例示する。図面に示されるように、特性は最大51.97%、最小48.03%及びリップル±2%(=4%p−p)である。 FIG. 69 illustrates an eye pupil of 4 mm, a tessellation of 0.5 mm, and an aperture filling rate of 50%. As shown in the drawing, the characteristics are a maximum of 51.97%, a minimum of 48.03%, and a ripple ± 2% (= 4% pp).
図70は、眼の瞳3mm、アパチャ充填率33%(3層、9タイルタイプ)を例示する。図70は、3層、9タイル、モノクロ基準設計を表すが、テッセレーションは0.5mmである。アパチャ充填率33%及び眼の瞳3mmの単数タイルが仮定された。リップルは、最大値=36.9、最小値=30.4で計算された。リップルの大きさは約6.5%/33%=±9.75%(=19.5%P−P)である。リップル周波数は、5度に対し約1サイクルである。 FIG. 70 illustrates an eye pupil of 3 mm and an aperture filling rate of 33% (3 layers, 9 tile type). FIG. 70 represents a 3-layer, 9-tile, monochrome reference design with a tessellation of 0.5 mm. A single tile with an aperture fill factor of 33% and an eye pupil of 3 mm was assumed. The ripple was calculated with a maximum value = 36.9 and a minimum value = 30.4. The magnitude of the ripple is about 6.5% / 33% = ± 9.75% (= 19.5% PP). The ripple frequency is about 1 cycle for 5 degrees.
図71は、眼の瞳4mm、アパチャ充填率33%(3層、9タイルタイプ)を例示する。単数タイル、アパチャ充填率33%及び眼の瞳4mmが仮定された。リップルは、最大=35、最小=30.8として計算された。リップルの大きさは約4.2%/33%=±6.3%=12.6%P−Pである。リップル周波数は、5度に対し約1サイクルである。 FIG. 71 illustrates an eye pupil of 4 mm and an aperture filling rate of 33% (3 layers, 9 tiles type). A single tile, an aperture fill factor of 33% and an eye pupil of 4 mm was assumed. Ripple was calculated as maximum = 35, minimum = 30.8. The magnitude of the ripple is about 4.2% / 33% = ± 6.3% = 12.6% PP. The ripple frequency is about 1 cycle for 5 degrees.
図72は、眼の瞳3mm、アパチャ充填率33%(3層、9タイルタイプ)を例示する。単数タイル、アパチャ充填率33%及び眼の瞳3mmが仮定された。計算された特性は、リップル最大値35.2%、リップル最小値29.7%、均一性5.5%/33.3%=±8.25%=16.5%である。 FIG. 72 illustrates an eye pupil of 3 mm and an aperture filling rate of 33% (3 layers, 9 tile type). A single tile, an aperture fill factor of 33% and an eye pupil of 3 mm was assumed. The calculated characteristics are: ripple maximum value 35.2%, ripple minimum value 29.7%, uniformity 5.5% / 33.3% = ± 8.25% = 16.5%.
図73は、単位セルがどのようにして均一分布パターンを形成するのかを例示する。 FIG. 73 illustrates how the unit cell forms a uniform distribution pattern.
図74は、眼の瞳4mm、アパチャ充填率33%(3層、9タイルタイプ)を使用する実施例の再計算である。このためには、パターンは、均一コラムオフセットが0.5ピクセルとなる1×3単位セルを有する必要がある。 FIG. 74 is a recalculation of an example using an eye pupil of 4 mm and an aperture filling rate of 33% (3 layers, 9 tile type). For this, the pattern needs to have 1 × 3 unit cells with a uniform column offset of 0.5 pixels.
均一コラム1/2ピクセルオフセットを使用するグリッド分布は、さらに均一な分布を与える。計算された特性は、リップル最大値35.0%、リップル最小値31.0%、均一性4.0%/33.3%=±6%=12%である。
A grid distribution using a
図75は、眼の瞳4mm、アパチャ充填率33%(3層、9タイルタイプ)を例示する。この実施例のためには、パターンは、均一コラムオフセットが0.5ピクセルとなる1×3単位セルを有する必要がある。 FIG. 75 illustrates an eye pupil of 4 mm and an aperture filling rate of 33% (3 layers, 9 tile type). For this example, the pattern needs to have 1 × 3 unit cells with a uniform column offset of 0.5 pixels.
均一コラム1/2ピクセルオフセットを使用するグリッド分布は、さらに均一な分布を与える。計算された特性は、リップル最大値34.6%、リップル最小値32.7%、均一性1.9%/33.3%=±2.85%=5.7%である。
A grid distribution using a
マイクロテッセレーション原理に基づく一連の基準設計が開発され、以下にまとめられる。
1.基準設計
・モノクロ、6層、12タイル(アパチャ充填率50%)、1mmのテッセレーション
・眼の瞳3mm、均一性24%
2.再最適化グレーティング位置を異なる層に有する基準設計
・モノクロ、6層、12タイル(アパチャ充填率50%)、1mmのテッセレーション
・眼の瞳3mm、均一性20%
3.0.5mmのテッセレーションを使用する基準設計
・モノクロ、6層、12タイル(アパチャ充填率50%)、0.5mmのテッセレーション
・眼の瞳3mm、視野角にわたる約3%から2%の均一性
4.眼の瞳3mm(標的:C 屋外AR)
・3層、9タイル(アパチャ充填率33%)、0.5mmのテッセレーション
・16.5%までの均一性
5.眼の瞳4mm(標的:C 屋内映画)
・3層、9タイル(アパチャ充填率33%)、0.5mmのテッセレーション
・12%までの均一性
A series of reference designs based on the micro tessellation principle has been developed and summarized below.
1. Standard design-Monochrome, 6 layers, 12 tiles (
2. Reference design with re-optimized grating positions in different layers-Monochrome, 6 layers, 12 tiles (
3. Reference design using 0.5mm tessellation-Monochrome, 6 layers, 12 tiles (
-3 layers, 9 tiles (
・ 3 layers, 9 tiles (
単数タイルのアパチャ充填率50%を達成することにより、均一アパチャ充填率33%よりも著しく改善された均一性が得られる(眼の瞳3mm上で約5倍の均一性改善である)。アパチャ充填率50%に対しては、0.5mmのテッセレーションが、1mmのテッセレーションよりも著しく良好な性能、すなわち眼の瞳3mmに対して3%対20%であった。9タイルに対するアパチャ充填率50%は、「4.5」(すなわち5層)を必要とする。
Achieving a single tile aperture fill factor of 50% results in significantly improved uniformity over the uniform aperture fill factor of 33% (approximately 5 times uniformity improvement over 3 mm of eye pupil). For 50% aperture fill, 0.5 mm tessellation was significantly better performance than 1 mm tessellation, ie 3% vs. 20% for 3 mm eye pupil. An aperture fill factor of 50% for 9 tiles requires “4.5” (
視野角に関する眼の瞳の放射照度均一性が、主テッセレーション要素のサイズが減少し、かつ、主テッセレーション要素アパチャ充填率が増加することで改善される。所与の層のタイルタイプ密度が減少すると、視野角に関する放射照度均一性が改善されることに留意する。タイルタイプが少なくなればなるほど、任意の単数の主テッセレーション要素タイプアパチャ充填率が増加するからである。主テッセレーション要素のサイズが減少するとMTF(解像度)が劣化する。主テッセレーション要素のサイズが減少し、かつ、主テッセレーション要素タイプの密度が増加すると、不規則パターンが生じることに留意する。そして、これにより、主テッセレーションのMTF均質化、及び放射照度角度均一性視野角リップル周波数を変化させる機会が許容される。主テッセレーションのアパチャ内での小さな(マイクロテッセレーション)の使用により、主テッセレーション要素の全体的な角度帯域が改善され、それゆえ、所望の主テッセレーション要素タイプの数を低減する機会が与えられる。 Eye pupil irradiance uniformity with respect to viewing angle is improved by reducing the size of the main tessellation element and increasing the fill factor of the main tessellation element. Note that decreasing the tile type density for a given layer improves irradiance uniformity with respect to viewing angle. This is because the smaller the tile type, the larger the fill factor of any single main tessellation element type aperture. As the size of the main tessellation element decreases, the MTF (resolution) degrades. Note that an irregular pattern results when the size of the main tessellation element decreases and the density of the main tessellation element type increases. This then allows the opportunity to change the MTF homogenization of the main tessellation and the irradiance angle uniformity viewing angle ripple frequency. The use of small (micro tessellation) within the aperture of the main tessellation improves the overall angular bandwidth of the main tessellation element and therefore provides an opportunity to reduce the number of desired main tessellation element types. It is done.
参考文献References
以下の特許出願の全体がここに参照として組み入れられる。
本発明者による出願日2011年10月7日、名称「WIDE ANGLE COLOR HEAD MOUNTED DISPLAY」の、本出願人の包袋番号SBG106によっても参照される米国仮特許出願第61/627,202号、
出願日2008年7月22日、名称「LASER ILLUMINATION DEVICE」の国際出願第US2008/001909号、
名称「METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING A TRANSPARENT DISPLAY」の国際出願第US2006/043938号、
名称「COMPACT EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY」の国際出願第GB2010/001982号、
国際出願日2010年4月26日、名称「Compact holographic edge illuminated eyeglass display」の国際出願第GB2010/000835号、
出願日2010年11月2日、名称「APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLE」の国際出願第GB2010/002023号、
出願日2005年11月4日、名称「SWITCHABLE VIEWFINDER DISPLAY」の米国特許出願第10/555,661号、
出願日2010年9月28日、名称「Eye Tracked Holographic Edge Illuminated Eyeglass Display」の米国仮特許出願第61/344,748号、
本発明者による名称「IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES」の、現時点で出願番号は入手不可能だが本出願人の包袋番号SBG104により参照される米国仮特許出願、
出願日2011年6月16日、名称「HOLOGRAPHIC BEAM STEERING DEVICE FOR AUTOSTEREOSCOPIC DISPLAYS」の米国仮特許出願第61/457,835号、
国際出願日2008年7月22日、名称「LASER ILLUMINATION DEVICE」の国際出願第US2008/001909号、
本発明者による出願日2010年11月2日、名称「APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLE」の国際出願第GB2010/002023号、
本発明者による出願日2011年9月7日、名称「METHOD AND APPARATUS FOR SWITCHING HPDLC ARRAY DEVICES」の、本出願人の包袋番号SBG105Bによっても参照される米国仮特許出願第61/573,121号、
国際出願日2010年4月26日、名称「COMPACT HOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY」(及び本出願人の包袋番号SBG073PCTによっても参照される)国際出願第GB2010/000835号、
本発明者による名称「IMPROVEMENTS TO CONTACT IMAGE SENSORS」の、現時点で出願番号は入手不可能だが本出願人の包袋番号SBG100により参照される米国仮特許出願、
出願日2011年9月16日、名称「Holographic wide angle near eye display」(SBGラボ参照番号SBG106A)の米国仮特許出願第61/573,156号、
出願日2011年9月19日、名称「Holographic wide angle near eye display」(SBGラボ参照番号SBG106B)の米国仮特許出願第61/573,175号、
出願日2011年9月19日、名称「Holographic wide angle near eye display」(SBGラボ参照番号SBG106C)の米国仮特許出願第61/573,176号、
出願日2011年9月25日、名称「Further improvements to holographic wide angle near eye display」 (SBGラボ参照番号SBG106D)の米国仮特許出願第61/573,196号、
出願日2011年10月7日、名称「Wide angle color head mounted display」(SBGラボ参照番号SBG106)の米国仮特許出願第61/627,202号、
出願日2012年4月25日、名称「Improvements to holographic wide angle head mounted display」 (SBGラボ参照番号SBG109)の米国仮特許出願第61/687,436号
The following patent applications are hereby incorporated by reference in their entirety:
US Provisional Patent Application No. 61 / 627,202, also referred to by the applicant's package number SBG106, with the name “WIDE ANGLE COLOR HEAD MOUNTED DISPLAY”, filed October 7, 2011, filed by the inventor.
Filing date July 22, 2008, international application No. US2008 / 001909 with name “LASER ILLUMINATION DEVICE”,
International application No. US2006 / 043938 with the name “METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING A TRANSPARENT DISPLAY”,
International application GB2010 / 001982 with the name “COMPACT EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY”,
International application date April 26, 2010, international application GB2010 / 000835 with the name “Compact holographic edge illuminated eyeglass display”,
Filing date November 2, 2010, international application GB2010 / 002023 with the name "APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLE",
Filing date November 4, 2005, US patent application Ser. No. 10 / 555,661, entitled “SWITCHABLE VIEWFINDER DISPLAY”,
Filing date September 28, 2010, US Provisional Patent Application No. 61 / 344,748, entitled “Eye Tracked Holographic Edge Illuminated Eyeglass Display”,
US provisional patent application whose name is "IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES" by the present inventor, which is currently not available but is referred to by the applicant's package number SBG104,
Application date: June 16, 2011, US Provisional Patent Application No. 61 / 457,835, entitled “HOLOGRAPHIC BEAM STEERING DEVICE FOR AUTOSTEREOSCOPIC DISPLAYS”,
International application date July 22, 2008, international application number US2008 / 001909 with the name “LASER ILLUMINATION DEVICE”,
Filing date of the inventor on November 2, 2010, international application GB2010 / 002023 with the name “APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLE”,
US Provisional Patent Application No. 61 / 573,121, also referred to by the applicant's package number SBG105B, dated September 7, 2011, filed by the present inventor and named “METHOD AND APPARATUS FOR SWITCHING HPDLC ARRAY DEVICES” ,
International application date April 26, 2010, name “COMPACT HOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY” (and also referred to by the applicant's bag number SBG073PCT) International Application No. GB2010 / 000835,
United States provisional patent application with the name "IMPROVEMENTS TO CONTACT IMAGE SENSORS" by the present inventor, which is currently not available but is referenced by the applicant's package number SBG100,
Filing date September 16, 2011, US Provisional Patent Application No. 61 / 573,156, entitled “Holographic wide angle near eye display” (SBG Lab Reference No. SBG106A),
Filing date September 19, 2011, US Provisional Patent Application No. 61 / 573,175, entitled “Holographic wide angle near eye display” (SBG Lab Reference No. SBG106B),
Filing date September 19, 2011, US Provisional Patent Application No. 61 / 573,176, entitled “Holographic wide angle near eye display” (SBG Lab Reference No. SBG106C),
Filing date September 25, 2011, US Provisional Patent Application No. 61 / 573,196, entitled “Further improvements to holographic wide angle near eye display” (SBG Lab Reference No. SBG106D),
Filing date October 7, 2011, US Provisional Patent Application No. 61 / 627,202, entitled “Wide angle color head mounted display” (SBG Lab Reference No. SBG106),
Application date April 25, 2012, US Provisional Patent Application No. 61 / 687,436, entitled “Improvements to holographic wide angle head mounted display” (SBG Lab Reference No. SBG109)
結論特許、特許出願、記事、書籍、学術論文及びウェブページを含むがこれらに限られない本願で引用された文献等のマテリアルはすべて、かかる文献等のマテリアルのフォーマットにかかわらず、その全体が明示的に参照として組み入れられる。組み入れられた文献等のマテリアルの一以上が、定義された用語、用語の用法、記載の技術等を含むがこれらに限られない本願と異なり又は矛盾する場合、本願が優先される。 Conclusion All materials such as documents cited in this application, including but not limited to patents, patent applications, articles, books, academic papers and web pages, are clearly indicated in their entirety, regardless of the format of such materials. Incorporated by reference. In the event that one or more of the incorporated materials, such as literature, differs from or contradicts this application including, but not limited to, defined terms, term usage, described techniques, etc., this application takes precedence.
本教示が様々な実施例とともに記載されてきたが、本教示がかかる実施例に限定されることを意図しない。それどころか、本教示は、当業者が理解する様々な代替例、修正例及び均等例を包含する。 Although the present teachings have been described in conjunction with various embodiments, it is not intended that the present teachings be limited to such embodiments. On the contrary, the present teachings encompass various alternatives, modifications and equivalents, as will be appreciated by those skilled in the art.
本発明の様々な実施例がここに記載されかつ例示されてきたが、当業者は、ここに記載された機能を果たすこと並びに/又は結果及び/若しくは一以上の利点を得るべく様々な他の手段及び/又は構造を容易に予見し、かかる変形例及び/又は修正例はそれぞれが、ここに記載された本発明の実施例の範囲内にあるものとみなされる。さらに一般には、当業者が容易に理解するように、ここに記載されたパラメータ、寸法、材料及び構成すべてが例示を意図したものであり、かつ、実際のパラメータ、寸法、材料及び/又は構成が、本発明の教示が使用される特定の単数又は複数のアプリケーションに依存する。当業者は、ここに記載された本発明の特定実施例に対する多くの均等例を理解する。したがって、理解すべきなのは、上述の実施例が例示のみにより提示されていること、並びに、添付の請求項及びその均等物の範囲内において、具体的に記載されかつ請求されているものとは異なる態様で本発明の実施例を実施できるということである。本開示の本発明の実施例は、ここに記載された各個別の特徴、システム、物品、材料、キット及び/又は方法に関する。加えて、かかる特徴、システム、物品、材料、キット及び/又は方法の2以上の任意の組み合わせは、かかる特徴、システム、物品、材料、キット及び/又は方法が互いに矛盾しない場合には、本開示の本発明の範囲内に含まれる。 While various embodiments of the invention have been described and illustrated herein, those skilled in the art will recognize that various other functions may be performed to perform the functions described herein and / or obtain results and / or one or more advantages. Means and / or structures are readily foreseen and each such variation and / or modification is considered to be within the scope of the embodiments of the invention described herein. More generally, as those skilled in the art will readily appreciate, all parameters, dimensions, materials and configurations described herein are intended to be exemplary and actual parameters, dimensions, materials and / or configurations may be Depending on the particular application or applications in which the teachings of the present invention are used. Those skilled in the art will appreciate many equivalent examples to the specific embodiments of the invention described herein. Therefore, it should be understood that the above-described embodiments are presented by way of example only and that they are different from those specifically described and claimed within the scope of the appended claims and their equivalents. It is that the embodiment of the present invention can be implemented in an aspect. Inventive embodiments of the present disclosure are directed to each individual feature, system, article, material, kit, and / or method described herein. In addition, any combination of two or more of such features, systems, articles, materials, kits and / or methods may be used in accordance with the present disclosure if such features, systems, articles, materials, kits and / or methods are consistent with each other. Are included within the scope of the present invention.
また、ここに記載された技術は、少なくとも一つの例が与えられる方法として具体化することができる。本方法の一部として行われる動作は任意の適切な態様で順序づけられる。したがって、例示されたものとは異なる順序で動作が行われる複数の実施例を構築することができる。これらは、例示の実施例では逐次的な動作として示されているとしても、いくつかの動作を同時に行うことも含む。 Moreover, the technique described here can be embodied as a method in which at least one example is given. The actions performed as part of the method are ordered in any suitable manner. Thus, multiple embodiments can be constructed in which operations are performed in a different order than that illustrated. These include performing several operations simultaneously, even though they are shown as sequential operations in the illustrated embodiment.
ここに定義され及び使用される定義すべては、辞書の定義、参照として組み入れられる書類での定義及び/又は定義された用語の通常の意味に対して支配的であると理解すべきである。 All definitions defined and used herein should be understood to dominate the dictionary definitions, definitions in documents incorporated by reference, and / or the ordinary meaning of the defined terms.
本明細書において及び本請求項において使用される「一」及び「一の」との不定冠詞は、そうではないと明示されない限り、「少なくとも一つ」を意味するものと理解すべきである。ここに引用されるいずれの範囲も包括される。 The indefinite articles "one" and "one" as used herein and in the claims should be understood to mean "at least one" unless explicitly stated otherwise. Any ranges cited herein are inclusive.
本明細書を通じて使用される用語「実質的に」及び「約」は、小さな変動を記載及び説明するべく使用される。例えば、これらは、±5%以下を言及し得る。例えば、±2%以下、±1%以下、±0.5%以下、±0.2%以下、±0.1%以下、±0.05%以下である。 The terms “substantially” and “about” as used throughout this specification are used to describe and explain minor variations. For example, they may refer to ± 5% or less. For example, ± 2% or less, ± 1% or less, ± 0.5% or less, ± 0.2% or less, ± 0.1% or less, or ± 0.05% or less.
本明細書において及び本請求項において使用されるフレーズ「及び/又は」は、連接する要素、すなわち、いくつかの場合において結合して存在し及び他の場合において分離して存在する要素の「一方又は双方」を意味するものと理解すべきである。「及び/又は」によって列挙される多重要素は、同じ態様に、すなわち、連接する要素の「一以上」として解釈すべきである。「及び/又は」節によって具体的に特定された要素以外の他の要素も、その具体的に特定された要素と関連するか否かにかかわらず、オプションとして提示され得る。したがって、非制限的な例として、「A及び/又はB」との言及は、「含む」のようなオープンエンド語とともに使用される場合、一実施例においてAのみ(オプションとしてB以外の要素も含む)、もう一つの実施例においてBのみ(オプションとしてA以外の要素も含む)、さらにもう一つの実施例においてAとB双方(オプションとして他の要素も含む)等を言及することができる。 As used herein and in the claims, the phrase “and / or” is used to refer to “one side” of elements that are concatenated, ie, elements that exist in some cases combined and others exist in isolation. It should be understood to mean “or both”. Multiple elements listed by “and / or” should be construed in the same manner, ie, “one or more” of the connected elements. Other elements than those specifically identified by the “and / or” clause may also be presented as options, regardless of whether they are associated with the specifically identified elements. Thus, as a non-limiting example, a reference to “A and / or B” when used with an open-ended word such as “includes” only in one embodiment (optionally other elements than B) In other embodiments, only B (optionally including elements other than A) may be mentioned, and in another embodiment, both A and B (optionally including other elements) may be mentioned.
本明細書において及び本請求項において使用されているように、「又は」は、上述の「及び/又は」と同じ意味を有するものと理解すべきである。例えば、列挙にある項目を分離する場合の「又は」又は「及び/又は」は、包括的なもの、すなわち、所定の数又は列挙の要素及びオプションとして列挙されていない追加項目の少なくとも一つも含み、一超過もまた含むものとして解釈すべきである。「一つのみの」若しくは「正確に一つの」のように又は請求項において「からなる」として使用される場合に、そうではないと明示されている用語のみが、所定の数又は列挙の要素の正確に一つの要素を含むことを言及する。一般に、ここに使用される用語「又は」は、「いずれか」、「一つの」、「一つのみの」又は「正確に一つの」のような排他的な用語が先行する場合、排他的な代替例(すなわち「一方又は他方だが双方ではない」)を示すものとしてのみ解釈すべきである。請求項において使用される場合の「本質的に〜からなる」は、特許法の分野で使用される通常の意味を有する。 As used herein and in the claims, “or” should be understood to have the same meaning as “and / or” described above. For example, “or” or “and / or” when separating items in an enumeration is inclusive, ie includes a predetermined number or elements of the enumeration and at least one of the additional items not listed as options. Should be construed as including one excess. When used as “only one” or “exactly one” or “consisting of” in a claim, only the terms explicitly stated otherwise are in the prescribed number or list of elements Note that it contains exactly one element. In general, the term “or” as used herein is exclusive when preceded by an exclusive term such as “any”, “one”, “only one”, or “exactly one”. Should only be construed as indicating alternatives (ie, “one or the other but not both”). “Consisting essentially of” as used in the claims has the ordinary meaning used in the field of patent law.
本明細書において及び本請求項において使用されるように、一以上の要素の列挙に関連するフレーズ「少なくとも一つ」は、当該要素の列挙にある要素の任意の一以上から選択される少なくとも一つの要素を意味するが、当該要素の列挙内に具体的に列挙される各要素の少なくとも一つを必ずしも含むわけではなく、かつ、当該要素の列挙にある要素の任意の組み合わせを除外するわけではないものと理解すべきである。この定義はまた、フレーズ「少なくとも一つ」が言及する当該要素の列挙内で具体的に特定される要素以外の複数の要素が、具体的に特定される要素に関連するか否かにかかわらず、オプションとして存在し得ることも許容する。したがって、非制限的な例として、「A及びBの少なくとも一つ」(又は等価的に「A又はBの少なくとも一つ」若しくは等価的に「A及び/又はBの少なくとも一つ」)は、一実施例において、Bが存在しないままの(及びオプションとしてB以外の要素も含む)少なくとも一つの、オプションとして一超過を含むA、もう一つの実施例において、Aが存在しないままの(及びオプションとしてA以外の要素も含む)少なくとも一つの、オプションとして一超過を含むB、さらにもう一つの実施例において、少なくとも一つの、オプションとして一超過を含むA、かつ、少なくとも一つの、オプションとして一超過を含むB(及びオプションとして他の要素も含む)等を言及することができる。 As used herein and in the claims, the phrase “at least one” associated with an enumeration of one or more elements is at least one selected from any one or more of the elements in that element enumeration. Means one element, but does not necessarily include at least one of each element specifically recited in the element list, and does not exclude any combination of elements in the element list. It should be understood that there is nothing. This definition also includes whether a plurality of elements other than the elements specifically identified in the list of elements referred to by the phrase “at least one” relate to the elements specifically identified. It also allows it to be present as an option. Thus, as a non-limiting example, “at least one of A and B” (or equivalently “at least one of A or B” or equivalently “at least one of A and / or B”) In one embodiment, B remains absent (and optionally includes elements other than B), optionally A includes one excess, and in another embodiment A remains absent (and optional). At least one B, optionally including one excess), and in yet another embodiment, at least one, optionally including A, and at least one, optionally exceeding one Including B (and optionally including other elements).
本請求項においては、上述の本明細書におけるのと同様、「含む」、「有する」、「包含する」、「伴う」、「保持する」、「からなる」等のような伝統的なフレーズはすべて、オープンエンドとして、すなわち含むが限られるものではないことを意味するものと理解するべきである。伝統的なフレーズ「からなる」及び「本質的に〜からなる」のみがそれぞれ、米国特許庁特許審査基準セクション2111.03に規定されるクローズ又はセミクローズの伝統的なフレーズとなる。 In the claims, as in the description above, traditional phrases such as “include”, “have”, “include”, “accompany”, “hold”, “consist of”, etc. Should all be understood as meaning open end, ie including but not limited to. Only the traditional phrases “consisting of” and “consisting essentially of” are respectively closed or semi-closed traditional phrases as defined in US Patent Office Patent Examination Guidelines Section 2111.03.
本請求項は、その旨の記載がない限り、記載された順序又は要素に限られるものとして読んではならない。添付の本請求項の要旨及び範囲から逸脱することなく、当業者の一により形態及び詳細の様々な変更がなされ得ることを理解するべきである。以下の請求項の要旨及び範囲内にあるすべての実施例並びにその均等物が請求される。 The claims should not be read as limited to the described order or elements unless stated to that effect. It should be understood that various changes in form and detail may be made by one of ordinary skill in the art without departing from the spirit and scope of the appended claims. All embodiments within the spirit and scope of the following claims and their equivalents are claimed.
Claims (16)
少なくとも第1の画像変調光及び第2の画像変調光を与えるべく構成される入力画像ノードと、
前記第1の画像変調光及び前記第2の画像変調光の少なくとも一方を少なくとも第1の方向に伝播させるべく構成されるホログラフィック導波路デバイスと
を含み、
前記ホログラフィック導波路デバイスは、複数の多重グレーティング要素を含み、
前記複数の多重グレーティング要素は、少なくとも一つの層に配置された第1の多重グレーティング要素及び第2の多重グレーティング要素を含み、
前記第1の多重グレーティング要素及び前記第2の多重グレーティング要素は、前記少なくとも一つの層に散在され、
前記第1の多重グレーティング要素及び前記第2の多重グレーティング要素はそれぞれ、第1の処方及び第2の処方を有し、
前記第1の画像変調光及び第2の画像変調光はそれぞれ、第1の視野角(FOV)及び第2のFOV画像情報によって変調され、
前記第1の多重グレーティング要素は、前記第1の画像変調光を偏向して第1FOVタイルを形成する第1の多重出力光線にするべく構成され、
前記第2の多重グレーティング要素は、前記第2の画像変調光を偏向して第2のFOVタイルを形成する第2の多重出力光線にするべく構成され、
前記少なくとも一つの層の中において、前記複数の多重グレーティング要素は、第1の帯域に散在する整数N1個の異なる処方を有し、
前記第1の帯域には、N1>N2である整数N2個の異なる処方の要素、N2>N3である整数N3個の異なる処方の要素、及びN3>N4である整数N4個の異なる処方の要素を包含する帯域が連続して左右に当接する装置。 An apparatus for displaying an image,
An input image node configured to provide at least a first image modulated light and a second image modulated light;
A holographic waveguide device configured to propagate at least one of the first image modulated light and the second image modulated light in at least a first direction;
The holographic waveguide device includes a plurality of multiple grating elements,
The plurality of multiple grating elements includes a first multiple grating element and a second multiple grating element disposed in at least one layer;
The first multiple grating elements and the second multiple grating elements are interspersed in the at least one layer;
The first multiple grating element and the second multiple grating element have a first prescription and a second prescription, respectively;
The first image modulated light and the second image modulated light are respectively modulated by a first viewing angle (FOV) and second FOV image information,
The first multiple grating element is configured to deflect the first image modulated light into a first multiple output light beam that forms a first FOV tile;
The second multiple grating element is configured to deflect the second image modulated light into a second multiple output beam that forms a second FOV tile;
In the at least one layer, the plurality of multiple grating elements have an integer number N1 different prescriptions interspersed in the first band;
Wherein the first band, N1> N2 integer number N2 of different formulations of elements is, N2> N3 integer N3 or different formulations of elements that are, and N3> N4 integer N4 or different formulations of elements is A device that abuts the band including the left and right continuously.
(i)一の入力画像ノードと、M及びNを整数として(M×N)の複数の多重グレーティング要素を含む一のホログラフィック導波路デバイスとを含む一の装置を与えることであって、少なくとも一つの層の中に散在する前記複数の多重グレーティング要素が、前記少なくとも一つの層の中において、第1の帯域に整数N1個の異なる処方を有し、前記第1の帯域には、N1>N2である整数N2個の異なる処方の要素、N2>N3である整数N3個の異なる処方の要素、及びN3>N4である整数N4個の異なる処方の要素を包含する帯域が連続して左右に当接することと、
(ii)整数1≦I≦N及び1≦J≦Mに対し視野角(FOV)タイル(I,J)に対応する前記入力画像ノードによって画像変調光(I,J)を生成することと、
(iii)FOVタイル(I,J)の複数の多重グレーティング要素をこれらの回折状態に切り換えることと、
(iv)FOVタイル(I,J)の複数の多重グレーティング要素を、画像変調光(I,J)によって照明することと、
(v)前記画像変調光(I,J)を回折してFOVタイル(I,J)にすることと
を含む方法。 A method of displaying an image,
(I) and one input image nodes, the method comprising providing an apparatus which includes a one holographic waveguide device comprising a plurality of multi-grating elements of M and N is an integer (M × N), low said plurality of multiple grating elements interspersed in a single layer without the said at within at least one layer has an integer number N1 of different formulations in a first band, said first band, N1> N2 integer number N2 of different formulations of elements is, N2> N3 is an integer N3 or different formulation components, and N3> N4 band including elements integer N4 or different formulations is is continuously Abutting left and right,
(Ii) generating image modulated light (I, J) by the input image node corresponding to a viewing angle (FOV) tile (I, J) for integers 1 ≦ I ≦ N and 1 ≦ J ≦ M;
(Iii) switching multiple grating elements of the FOV tile (I, J) to these diffraction states;
(Iv) illuminating a plurality of multiple grating elements of the FOV tile (I, J) with image modulated light (I, J);
(V) diffracting the image modulated light (I, J) into an FOV tile (I, J).
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